[发明专利]一种欠驱动无人船目标包围控制器结构及设计方法

权利要求书

1.一种欠驱动无人船目标包围控制器结构，其特征在于：由位置计算单元、速度观测器、模糊逼近器、距离控制器、航向控制器和动力学控制器组成；所述的位置计算单元输入端接收无人船状态和目标相对位置信息；位置计算单元输出端分别与速度观测器、距离控制器和航向控制器的输入端相连；所述速度观测器另一输入端接收无人船速度信息，速度观测器输出端分别与距离控制器和航向控制器输入端相连；所述距离控制器输入端接收给定围绕距离；距离控制器输出端与航向控制器输入端相连；所述航向控制器输出端与动力学控制器输入端相连；所述动力学控制器另一输入端与模糊逼近器输出端相连；动力学控制器输出端与受控欠驱动无人船输入端和模糊逼近器输入端相连；所述模糊逼近器另一输入端接收无人船状态信息；

所述的目标满足下面的运动学模型：

其中：分别代表地球参考系下目标在x、y轴上的位置及艏摇角信息；u_t,v_t,r_t∈R表示船体参考系下目标纵荡速度、横漂速度和艏摇角速度，R表示实数集；

所述的欠驱动受控无人船满足下面的运动学模型：

和动力学模型：

其中分别代表地球参考系下受控无人船在x、y轴上的位置及艏摇角信息；u,v,r∈R表示船体参考系下受控无人船纵荡速度、横漂速度和艏摇角速度；m_u,m_v,m_r∈R是船体坐标系下无人船各方向惯性系数；f_u(·),f_v(·),f_r(·)∈R为无人船各方向的未知非线性函数；τ_wu(t),τ_wv(t),τ_wr(t)∈R代表时变风浪流在各方向对无人船造成的扰动，τ_u,τ_r∈R是所控欠驱动无人船的控制输入。

2.一种如权利要求1所述的欠驱动无人船目标包围控制器的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、位置计算单元的设计

位置计算单元的输入信号为受控无人船位姿信息和包围目标的位置信息x_t,y_t，作为观测器和控制器的输入，如下：

其中，ρ表示受控无人船与包围目标之间距离，β表示目标相对于无人船的视距角，η表示无人船艏向与视距垂线方向夹角，ρ_u,ρ_v表示无人船与目标在纵荡与横漂方向的相对距离；

B、速度观测器的设计

速度观测器的输入信号为受控无人船角速度r和计算环节输出ρ_u,ρ_v,η，观测器结构设计如下：

其中，分别表示ρ_u,u_s,ρ_v,v_s,η,σ_η的估计值，k_i是观测器参数，k_i＞0,i＝1,...,6；

C、模糊逼近器的设计

模糊逼近器的输入信号为无人船速度信息u,r和动力学控制器输出τ_u,τ_r，设计原理基于模糊系统逼近；

模糊系统由模糊规则库、模糊化机构和解模糊化机构组成；令权值向量Ξ^T＝[Ξ₁,Ξ₂,...,Ξ_N]，以及函数β(χ)＝[β₁(χ),β₂(χ),...,β_N(χ)]^T，其中：

式中，为成员函数，则模糊系统表示为：

y(χ)＝Ξ^Tβ(χ) (7)

模糊逼近器由预估器和权值更新律两部分组成，其中预估器模块结构如下：

式中，为m_u,m_r的近似值，表示u,v,Ξ_u,Ξ_r的估计值，k₇,k₈是模糊逼近器参数，χ_u＝[u(t),u(t-t_d),τ_u]，χ_r＝[r(t),r(t-t_d),τ_r]；

权值更新律设计如下：

式中，Γ_u,Γ_r,是权值更新参数；

D、距离控制器的设计

距离控制器的输入为给定距离和位置计算单元和速度观测器的输出，距离控制器设计基于视距导航方法，其结构为：

式中，ρ_e＝ρ-ρ_d表示距离误差，η_d为给包围角度信号，Δ为视距导航法的前视距离；

E、航向控制器的设计

航向控制器的输入为给定包围角和计算单元、速度观测器输出，航向控制器设计基于反步法，结构如下：

式中，η_e＝η-η_d表示包围角误差，r_d为给定角速度，k_r为航向控制器参数；

F、动力学控制器的设计

动力学控制器的输入为给定速度、给定角速度和模糊逼近器输出，动力学控制器设计基于反步法，结构如下：

式中，u_e＝u-u_d,r_e＝r-r_d表示速度误差和角速度误差，τ_u,τ_r是动力学控制器的输出信号，k_τu,k_τr为动力学控制器参数。