[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

说明书

本发明公开了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,包括：建立无人帆船的数学模型；构建双层虚拟引导的制导算法；构建艏向虚拟控制器，以降低艏向误差；构造比例积分滑模面，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；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。本发明针对无人帆船在时变风向和输入饱和限制下直线路径跟踪控制任务，提出了一种基于双层虚拟引导的无人帆船时间触发鲁棒自使用滑模控制方法，能够针对横风航行和迎/顺风航行分别实时规划参考信号，实现了无人帆船在时变风向下执行直线路径跟踪控制任务。

技术领域

本发明涉及船舶运动控制技术领域，尤其涉及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。

背景技术

在无人帆船运动控制领域，帆结构主要用来提供前行动力，舵结构主要用来产生转船力矩。而且，在顶风和顺风局面下，帆结构无法提供充足的前向推力，因此帆船具有无法顶风和顺风航行的特点。考虑到无人帆船在迎风和顺风局面下推力不足的限制，因此在迎风和顺风局面下通常采用“Z”型航线。

制导与控制是船舶运动控制领域中重要的两个子系统，在现有的无人帆船制导结构中，迎风、顺风和横风航行参考艏向是单独产生的，在控制器设计过程中存在不连续现象。此外，无人帆船由于帆结构的存在，在航行过程中受时变风速和风向的影响，闭环控制系统更容易发生低频抖振，特别是为保证无人帆船实时追踪到参考信号，控制输入需要频繁操舵，加快了执行器的磨损。而且，帆受风力作用下更容易引发无人帆船到达执行器饱和状态。

基于以上分析，常规欠驱动船路径跟踪控制算法在无人帆船直线路径跟踪控制任务中具有以下2点缺陷：

1)传统的ILOS制导算法不能引导无人帆船在时变风向下进行路径跟踪控制任务，而且现有的无人帆船制导结构存在参考艏向信号不连续特点。

2)帆受风力作用下，无人帆船更易到达执行器饱和状态，影响控制系统稳定性。此外，外界时变风速风向下，无人帆船控制输入更容易发生低频抖振，增大控制命令传输负载。

发明内容

本发明提供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，以克服现有的无人帆船制导结构存在参考艏向信号不连续和外界时变风速风向下，无人帆船控制输入更容易发生低频抖振，增大控制命令传输负载的技术问题。

具体如下:

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,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。

进一步的，所述无人帆船的数学模型建立如下：