[发明专利]一种欠驱动船舶路径跟踪非线性控制方法

说明书

本发明提供一种欠驱动船舶路径跟踪非线性控制方法，所述方法至少包括：步骤1：获取所述目标路径在当前时刻的虚拟船位置信息(x_d,y_d)和方位角ψ_d信息；步骤2：计算所述实船与所述虚拟船的相对位置误差z_e；步骤3：计算所述虚拟船的目标位置指令导数、所述实船航向指令信号ψ_r及其一阶导数和二阶导数；步骤4：计算主机推力指令信号τ_u和艏摇控制力矩指令信号τ_r，判断目标跟踪误差是否为0，如果“是”则结束跟踪，如果“否”则更新状态进入步骤2。应用本发明实施例，通过前置滤波方法获取非光滑曲线路径转弯处的近似平滑航向角指令信号及导数，有效减小目标路径转弯处的航向和艏摇控制力矩抖振。

技术领域

本发明涉及船舶路径跟踪技术领域，特别是涉及一种欠驱动船舶路径跟踪非线性控制方法。

背景技术

在过去二十年，欠驱动船舶的路径跟踪控制引起船舶运动控制领域的广泛关注，目前常用的跟踪控制方法主要是基于Line of Sight(LOS)制导算法的虚拟船导引方法，如图1所示。假设目标路径为虚拟船的航迹，通过控制实船准确跟踪虚拟船来实现路径跟踪的目的。该制导方法对于直线路径跟踪效果较好，对于曲线跟踪需要假设目标路径为光滑曲线，对于非光滑曲线路径在转弯处会产生航向和控制力拒抖振问题。

基于确定模型的线性控制方法对于确定性扰动系统的控制具有很好的效果，但是对于受未知海洋环境扰动的欠驱动船舶路径跟踪控制系统还需要面对船舶运动模型非线性和不确定的问题。一些学者对模型参数不确定的欠驱动船舶跟踪控制进行了研究，采用如下公式的非线性船舶运动模型：

其中：(x,y,ψ)为实船位置和航向角，(u,v,r)为实船纵荡、橫荡和艏摇运动状态，(m₁₁,m₂₂,m₃₃)为三个运动方向的转动惯量，(τ_u,τ_r)为主推和艏摇控制力矩， (τ_wu,τ_wv,τ_wr)为三个运动方向的海洋扰动作用力和力矩。

基于该类模型的非线性控制方法均需要假设模型非线性水动力部分的参数是维数已知的未知常数，并且假设非线性部分为已知光滑函数，通过对未知模型参数的估计来实现欠驱动船舶的准确跟踪控制。但是，船舶受恶劣海况的扰动作用时非线性水动力部分具有不确定性和未建模动态的特点，且参数不具有未知常数的特征，此时基于该类模型的控制方法不能保证路径跟踪控制系统的鲁棒性。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种欠驱动船舶路径跟踪非线性控制方法，通过前置滤波方法获取非光滑曲线路径转弯处的近似平滑航向角指令信号及导数，有效减小目标路径转弯处的航向和艏摇控制力矩抖振。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种欠驱动船舶路径跟踪非线性控制方法，所述方法至少包括：

步骤1：根据虚拟船产生目标路径的指令时间序列信号，获取所述目标路径在当前时刻的虚拟船位置信息(x_d,y_d)和方位角ψ_d信息；

步骤2：根据测量到的实船的当前时刻位置信息(x,y)和航向角ψ信号，计算所述实船与所述虚拟船的相对位置误差z_e、所述实船的LOS航向角操作指令信号