[发明专利]双层虚拟引导机制的无人帆船自适应路径跟踪控制方法

权利要求书

1.一种双层虚拟引导机制的无人帆船自适应路径跟踪控制方法,其特征在于，包括如下步骤：

S1：建立无人帆船的数学模型；

S2：构建双层虚拟引导的制导算法，以获取无人帆船在迎风、顺风和横风三种航行局面下参考艏向信号；

S3：构建艏向虚拟控制器，以降低艏向误差；

S4：构造比例积分滑模面，以获取基于滑模面的动态误差导数；

S5：在所述艏向虚拟控制器中引入事件的触发机制，以获取事件触发虚拟控制律；

S6：构建考虑输入饱和限制的触发控制律，以实现考虑执行器饱和限制下无人帆船能够得到稳定的控制输入和控制输出。

2.根据权利要求1所述的一种双层虚拟引导机制的无人帆船自适应路径跟踪控制方法，其特征在于，所述无人帆船的数学模型建立如下：

式中：η＝[x,y,φ,ψ]^T，其中x表示无人帆船在大地坐标系下的横轴坐标，y表示无人帆船在大地坐标系下的纵轴坐标；φ表示无人帆船的横倾角，ψ表示无人帆船的艏向角；

ν＝[u,v,p,r]^T，其中u表示附体坐标系下无人帆船的前向速度、v表示附体坐标系下无人帆船的横漂速度、p表示附体坐标系下无人帆船的横摇角速度和r表示附体坐标系下无人帆船的艏摇角速度；

J(η)表示变换矩阵；M^-1表示M的逆矩阵，M表示前进、横漂、横摇和艏摇自由度上的系统惯性矩阵；C(ν)表示无人帆船本身及附加质量受到的科里奥利向心力矩阵；F(ν)表示由帆、舵、龙骨以及船体造成的模型未知项；G(η)表示在给定倾侧角度下的横摇回复力矩，d_wi,i＝u,v,p,r表示海洋环境造成的干扰力/力矩；τ＝[τ_u,0,τ_r]^T表示无人帆船的控制输入力/力矩；其中，τ_u表示帆提供的推进力；τ_r表示舵提供的转船力矩；

表示无人帆船在前进自由度上的附加质量，表示无人帆船在横漂自由度上的附加质量，表示无人帆船在横摇自由度上的附加质量，表示无人帆船在艏摇自由度上的附加质量，m为帆船质量；分别表示附加质量m_u,m_v,m_p,m_r的负数；g(φ)＝mgGM_tsin(φ)cos(φ)，其中GM_t表示初稳性高度，g表示重力加速度；I_xx表示无人帆船质量绕x轴的惯性矩；I_zz表示无人帆船质量绕z轴的惯性矩；

简化所述无人帆船的4自由度非线性数学模型如下：

式中，b表示执行器增益；sat(δ_r)表示控制输入的饱和函数；δ_r表示舵角；f_r(·)表示无人帆船艏向模型的非线性项；c表示饱和辅助系数；表示饱和辅助变量；h(δ_r)表示考虑饱和限制的控制输入；δ_rM表示舵角的最大值；ρ(δ_r)表示有界的饱和误差函数。