[发明专利]一种基于有限时间制导和控制的无人船路径跟踪控制方法

说明书

本发明公开了一种基于有限时间制导和控制的无人船路径跟踪控制方法，包括以下步骤：计算路径跟踪误差的动态化；设计有限时间侧滑观测器；设计双曲正切视线制导律；设计有限时间扰动观测器；设计基于有限时间观测器的控制器。本发明提出的双曲正切视线制导律能根据跟踪误差以及设计的有限时间侧滑观测器，同时制导速度和航向角，提高了制导系统的稳定性和灵活性。本发明构造的有限时间侧滑观测器能精确观测时变的大漂角，并且在有限时间内确保观测误差为零，加快了误差收敛速度，提高了鲁棒性，可以避免有界和渐近观测的局限性。本发明能精确观测复杂的外界干扰，并且在有限时间内确保观测误差为零，可以避免有界和渐近观测的局限性。

技术领域

本发明属于无人船控制领域，特别涉及一种欠驱动无人船的精确路径跟踪控制方法。

背景技术

近年来欠驱动无人船以其体积小、速度快、灵敏度高、能完成复杂海事任务的优越性能表现受到研究人员的广泛关注，而无人船的路径跟踪技术水平极大程度上影响着水面无人船完成各项复杂任务的质量和经济性能，是船舶控制研究领域中的研究热点。

路径跟踪控制系统通常分为制导和控制两个子系统，目前常用的跟踪控制方法主要是基于视线制导算法的虚拟船导引方法，假设目标路径为虚拟船的航迹，通过对虚拟船的制导和控制推力和操舵使实船跟踪虚拟船进而实现路径跟踪。传统的视线制导方法通过计算航迹误差与前视距离的反正切值得到期望舵角。积分视线制导填补了传统视线制导不能对侧滑角进行补偿的技术缺陷。自适应视线制导能够自适应估计较小、缓慢随时间变化的侧滑角。2016年S.Moe教授所在团队在视线制导方法中考虑了洋流对制导的影响，使其更加符合实际海况。

在控制系统的设计上，反步控制、滑模控制、级联控制、自适应控制、齐次控制、模糊控制、神经网络控制等方法以及它们的组合已被广泛应用于无人船的运动控制，但是这些控制方法由于过度依靠精确的数学模型，不能完全对不确定项进行补偿，以致不能实现对无人船的精确控制。

为达到制导效果，在无人船的制导控制中通常需要对速度和航向两个参量进行设计，但在以往的制导方法中，通常预定义船的速度为常量，这样虽然降低了设计难度，却减少了一个控制项，使无人船仅由方向舵控制，导致方向舵操纵负担加重、控制系统灵活性降低，系统响应速度不够迅速，不能达到良好的制导效果。

在控制系统的设计上，现有技术未实现对扰动和不确定项的精确估计与补偿，使控制系统的控制精度降低，达不到较为理想的控制效果。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种能整体降低方向舵的操纵负担、提高系统灵活性、实现系统快速响应，并极大提高无人船路径跟踪的精度的基于有限时间制导和控制的无人船路径跟踪控制方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种基于有限时间制导和控制的无人船路径跟踪控制方法，所述的路径跟踪控制的系统包括制导子系统和控制子系统，所述的制导子系统通过有限时间侧滑观测器对船舶漂角进行快速精确估计，并将估计值运用于制导律设计；所述的控制子系统通过设计有限时间扰动观测器对未知干扰进行快速精确的估计，在设计的速度和航向控制器中进行有效补偿，使实际量与制导信号之间的追踪误差渐进稳定到零。

所述的无人船数学模型包括运动学模型和动力学模型，所述的运动学模型如下：

其中，x代表惯性坐标系下无人船运动位置的横向信息，为其导数；y代表惯性坐标系下无人船运动位置的纵向信息，为其导数；ψ代表惯性坐标系下无人船的航向，为其导数；u代表无人船附体坐标系下无人船的前向速度，v代表无人船附体坐标系下无人船的横向速度，r代表无人船附体坐标系下无人船的航向角速度。

所述的动力学模型如下：