[发明专利]一种用于不确定系统的船舶路径跟踪控制方法

说明书

本发明提出了一种用于不确定系统的船舶路径跟踪控制方法，将外部干扰、模型不确定性和不确定系统参数问题同时解决。从描述船舶数学模型开始，考虑实际存在的不为零漂角对跟踪过程中航向角的影响，引入自适应律以解决不确定性和干扰问题，结合基于反步法设计的控制器保证跟踪性能。控制算法可有效实现对干扰和不确定性的抑制控制，使跟踪误差渐进为零，保证高精度的轨迹跟踪控制。

技术领域

涉及船舶自动控制技术领域，具体涉及一种用于不确定系统的船舶路径跟踪控制方法。

背景技术

在海洋工程迅速发展的今天，船舶航迹控制作为船舶领域中的重要问题一直以来都是研究热点，对船舶航行的安全性和经济性有着重要的意义。近几十年来，现代控制理论被广泛应用于解决船舶轨迹跟踪问题，例如输出反馈、滑模控制、模型预测控制、自适应技术或智能算法来设计控制器，以实现高精度跟踪控制。

在进行控制器设计时一般都会忽略漂角对航迹控制中航向角的影响，其实船舶实际运动方向和传统定义下的切线方向相差了一个漂角，可能会导致船舶偏离航线。同时外部干扰和系统不确定性问题会使其跟踪控制性能恶化，所以干扰和不确定性衰减/抑制控制问题也受到了越来越多国内外学者的关注，但许多控制方法只能保证跟踪误差收敛到原点的一个小邻域内，该如何设计更高精度的跟踪控制律仍然是一个具有挑战性的问题。

发明内容

本发明提出了一种用于不确定系统的船舶路径跟踪控制方法，将外部干扰、模型不确定性和不确定系统参数问题同时解决。从描述船舶数学模型开始，考虑实际存在的不为零漂角对跟踪过程中航向角的影响，引入自适应律以解决不确定性和干扰问题，结合基于反步法设计的控制器保证跟踪性能。控制算法可有效实现对干扰和不确定性的抑制控制，使跟踪误差渐进为零，保证高精度的轨迹跟踪控制。

主要包括以下步骤：

步骤1、建立3自由度欠驱动船舶数学模型；

船舶运动一般用纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇和艏摇这六个独立变量来描述，然而大多数船舶在纵荡、横荡、垂荡轴上的运动是开环稳定的，所以船舶控制可以从六自由度简化为仅在纵摇、横摇和艏摇方向上的运动问题，因此，根据运动学和动力学给出的三自由度船舶数学模型描述如下：

Δτ(η，v)＝d-ΔC(v)v+ΔD(v)v+Δg(η)-f(η，v) (2)

其中表示船舶的包含附加质量的系统惯性矩阵、表示由于未建模的动力学和传感器导致的模型不确定性部分，是系统控制输入，代表未知时变的包括风、海、流在内的外部环境干扰；C₀(v)、ΔC(v)、D₀(v)、ΔD(v)、g₀(η)、Δg(η)分别表示科里奥利向心力矩阵、水动力阻尼矩阵、重力/浮力引起的力或力矩矢量的已知可建模部分和未知不确定部分，代表整个船舶模型的不确定性部分。

状态向量定义为分别表示船舶在地面固定参考系OX_oY_o中的位置和航向角，状态向量分别代表在船体参考系BXT中纵摇、横摇和艏摇方向上相应的速度，由于不在同一坐标系内，下式表示两坐标系之间的关系：

其中坐标旋转变换阵为

步骤2、下达期望路径指令，即设定η_d＝[x_d y_d ψ_d]^T；

步骤3、根据当前船舶在船体参考系BXY中纵摇、横摇方向速度值u、v，计算漂角值β，并对步骤2中设定的航向角参考值ψ_d进行修正；

假设船舶的相对线速度可用，在不依靠GPS罗经的情况下，利用下式可得实际航行中存在的漂角β：