CN108333934A - 基于侧滑补偿的气垫船路径跟踪的自适应los导引方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于侧滑补偿的气垫船路径跟踪的自适应LOS导引方法，属于气垫船控制领域，包括以下步骤：步骤(1)：建立气垫船三自由度运动数学模型；步骤(2)：建立误差动态模型；步骤(3)：设计自适应侧滑角估计器；步骤(4)：设计侧滑角补偿的自适应LOS导引律；步骤(5)：设计PID艏向控制器；步骤(6)：进行仿真验证。本发明将侧滑角的自适应估计应用到气垫船的LOS导引当中，对LOS导引律进行侧滑补偿，采用自适应方法在线估计侧滑角度，解决了侧滑角度的估计问题，解决了气垫船在水面航行受外界环境干扰而产生侧滑影响路径跟踪效果问题，提高气垫船路径跟踪的精确度。

Description

基于侧滑补偿的气垫船路径跟踪的自适应LOS导引方法

技术领域

本发明属于气垫船控制领域，尤其涉及基于侧滑补偿的气垫船路径跟踪的自适应LOS导引方法。

背景技术

气垫船是利用高压空气在船底和水面或地面间形成气垫，使船体全部或部分垫升，从而大大减小船体航行时的阻力，实现高速航行的船。气垫是用大功率鼓风机将空气压入船底下，由船底周围的柔性围裙或刚性侧壁等气封装置限制其逸出而形成的。

19世纪初，已有人认识到把压缩空气打入船底下可以减少航行阻力，提高航速。1953年，英国人科克雷尔创立气垫理论，经过大量试验后，于1959年建成世界上第一艘气垫船，横渡英吉利海峡取得成功。1964年以后，气垫船类型增多，应用日益广泛，多用作高速短途客运、休闲旅游、执勤巡逻、救援抢险、商业、勘察测量、军事等方面，航速可达60～80海里/小时。气垫船的缺点是耐波性较差，在风浪中航行失速较大。气垫船船身一般用铝合金、高强度钢或玻璃钢复合材料制造；动力装置用航空发动机、高速柴油机或燃气轮机；船底围裙用高强度尼龙橡胶布制成，磨损后可以更换。

气垫船作为水陆两栖的船种，能够在水面和地面上方便地航行，因此广泛用于军事用途。作为作战登陆艇是其重要的用途之一。气垫船分为全垫升气垫船和侧壁式气垫船。全垫升气垫船由于其用途广泛，尤其是军事用途。因此，对气垫船进行路径跟踪控制研究具有重要意义。英国是最早研制气垫船的国家。60年代初，英国海军就组建了气垫船试验分队，对不同类型的气垫船进行一系列的作战环境试验，如用于猎扫雷、两栖登陆、发射导弹、反潜等，并从中选出合适的艇型。已装备海军部队的有50吨级BH7型多用途气垫艇。其中：BH7-Ⅴ+型猎雷气垫艇携带猎雷设备时，能在波高3米海况下，以10节航速进行猎雷作业。BH7-Ⅴ型战斗气垫艇是快速导弹巡逻艇，装有两座“飞鱼”战舰导弹和一座双管30毫米自动炮。BH7-Ⅳ型后勤支援气垫艇可运送170名全副武装的登陆兵，或者运载3辆野战卡车及60名战斗人员等。还有105吨级的VT-2型导弹气垫艇，装有2座“奥托马特”舰舰导弹和1门76毫米自动舰炮，装载能力32吨，还可作反潜、扫雷、布雷和后勤支援用。

气垫船在水中航行过程中，受到外界海洋环境如风，浪，流的干扰，由于横向没有推进力，极易产生侧滑，而侧滑会影响其路径跟踪的准确度。

发明内容

本发明的目的在于公开路径导引精度高的基于侧滑补偿的气垫船路径跟踪的自适应LOS导引方法。

本发明的目的是这样实现的：

基于侧滑补偿的气垫船路径跟踪的自适应LOS导引方法，包含如下步骤：

步骤(1)：建立气垫船三自由度运动数学模型：

研究空间运动体，建立固定坐标系和船体运动坐标系，对气垫船横荡、纵荡、和艏摇三个自由度建立三自由度运动数学模型。

三自由度运动数学模型：

上式中，η＝[x,y,ψ]^T，(x,y)表示气垫船位置，ψ表示艏向角；υ＝[u,v,r]^T，u表示气垫船速度，v表示气垫船角速度，r表示气垫船到测量点的距离；M＝diag{m,m,I_z}，m表示气垫船质量，I_z表示转动惯量；τ＝[τ_u,0,τ_r ^T]，τ_u表示控制力，τ_r表示控制力矩；d＝[d_u d_v d_r]^T表示外界干扰；D(υ)是附加质量矩阵，R(ψ)是旋转矩阵；k_mi表示阻尼系数，i＝1,2,3,4,5,6,7。

步骤(2)：建立误差动态模型：

通过全球定位系统获取气垫船实际位置，与更新参考路径点比较，获取实际位置误差，建立误差动态模型。

P＝[x,y]^T，

P_p(θ)＝[x_p,y_p]^T，

γ_p(θ)＝atan2(y′_p(θ),x′_p(θ))，

ε＝R^T(γ_p(θ))(P-P_p(θ))；

ε＝[x_e,y_e]^T,

上式中，x_e是气垫船运动的切向误差，y_e是气垫船运动的法向误差；

建立误差动态模型：

步骤(3)：设计自适应侧滑角估计器：利用误差动态模型，设计自适应侧滑角估计器。

自适应侧滑角估计器：

上式中，β为气垫船路径跟踪过程中的侧滑角度，为侧滑角估计值。

步骤(4)：设计侧滑角补偿的自适应LOS导引律：

利用自适应侧滑角估计器获取侧滑角估计值，设计带有侧滑补偿的自适应LOS导引律。

带有侧滑补偿的自适应LOS导引律：

步骤(5)：设计PID艏向控制器：利用带有侧滑补偿的自适应LOS导引律，建立PID艏向控制器。

PID艏向控制器：

上式中，t是时间，δ为偏舵角，ψ_e是航向偏差，K_p是PID控制的比例系数，K_i是PID控制的积分系数，K_d是PID控制的微分系数。

步骤(6)：进行仿真验证。

本发明的有益效果为：

本发明将侧滑角的自适应估计应用到气垫船的LOS导引当中，对LOS导引律进行侧滑补偿，采用自适应方法在线估计侧滑角度，解决了侧滑角度的估计问题，解决了气垫船在水面航行受外界环境干扰而产生侧滑影响路径跟踪效果问题，提高气垫船路径跟踪的精确度。

附图说明

图1是基于侧滑补偿的气垫船路径跟踪的自适应LOS导引方法流程图；

图2是气垫船路径跟踪原理图；

图3是基于侧滑补偿的气垫船路径跟踪的自适应LOS导引方法结构图；

图4是某型气垫船应用本发明后的直线路径跟踪曲线图；

图5是某型气垫船应用本发明后的直线路径的侧滑角实际和估计值曲线图；

图6是某型气垫船应用本发明后的舵角曲线；

图7是某型气垫船应用本发明后的直线路径跟踪的法向误差曲线图；

图8是某型气垫船应用本发明后的直线路径跟踪过程中自适应LOS导引角度和实际航向曲线图。

具体实施方式

下面结合附图来进一步描述本发明：

实施例1：

如图1，基于侧滑补偿的气垫船路径跟踪的自适应LOS导引方法，包含如下步骤：

步骤(1)：建立气垫船三自由度运动数学模型：

研究空间运动体，建立固定坐标系和船体运动坐标系，对气垫船横荡、纵荡、和艏摇三个自由度建立三自由度运动数学模型。

三自由度运动数学模型：

上式中，η＝[x,y,ψ]^T，(x,y)表示气垫船位置，ψ表示艏向角；υ＝[u,v,r]^T，u表示气垫船速度，v表示气垫船角速度，r表示气垫船到测量点的距离；M＝diag{m,m,I_z}，m表示气垫船质量，I_z表示转动惯量；τ＝[τ_u,0,τ_r ^T]，τ_u表示控制力，τ_r表示控制力矩；d＝[d_u d_v d_r]^T表示外界干扰；D(υ)是附加质量矩阵，R(ψ)是旋转矩阵；k_mi表示阻尼系数，i＝1,2,3,4,5,6,7。

步骤(2)：建立误差动态模型：

如图2,和图3，通过全球定位系统获取气垫船实际位置，与更新参考路径点比较，获取实际位置误差，建立误差动态模型。

P＝[x,y]^T，

P_p(θ)＝[x_p,y_p]^T，

γ_p(θ)＝atan2(y′_p(θ),x′_p(θ))，

ε＝R^T(γ_p(θ))(P-P_p(θ))；

ε＝[x_e,y_e]^T,

上式中，x_e是气垫船运动的切向误差，y_e是气垫船运动的法向误差；

建立误差动态模型：

步骤(3)：设计自适应侧滑角估计器：利用误差动态模型，设计自适应侧滑角估计器。

自适应侧滑角估计器：

上式中，β为气垫船路径跟踪过程中的侧滑角度，为侧滑角估计值，估计误差

步骤(4)：设计侧滑角补偿的自适应LOS导引律：

利用自适应侧滑角估计器获取侧滑角估计值，设计带有侧滑补偿的自适应LOS导引律。

带有侧滑补偿的自适应LOS导引律：

带有侧滑补偿的自适应LOS导引律稳定性的证明：

取李雅普诺夫函数：

上式中，γ_β为自适应增益，对李雅普诺夫函数求导得：

上式中，为反对称阵。

由于β≤10°且假设其缓慢变化，有sinβ≈β，那么：

上式中，为虚拟输入，用来稳定纵向位置误差。

假设，控制器能够完美跟踪上给定的参考航向，即ψ＝ψ_d，则：

虚拟输入结合自适应侧滑识别率以及LOS导引参考角度：

至此，稳定性得以证明。

步骤(5)：设计PID艏向控制器：利用带有侧滑补偿的自适应LOS导引律，建立PID艏向控制器。

PID艏向控制器：

上式中，t是时间，δ为偏舵角，ψ_e是航向偏差，K_p是PID控制的比例系数，K_i是PID控制的积分系数，K_d是PID控制的微分系数

步骤(6)：进行仿真验证。

首先给出仿真的海洋环境干扰的一些条件，设平均风速为10m/s，风的方向为30°；设定气垫船的初始北东位置与艏向角度为η＝[0m,0m,0°]，跟踪路径的起点为(1000m，500m)，终点为(9660m,5500m)。

采用PID艏向控制器，以某气垫船为控制对象，进行仿真。图4显示了气垫船北向和东向位置。比较参考路径和实际路径，以及PID导引的路径跟踪结果，提出的方法能够提高路径跟踪的精度。图5显示路径跟踪过程中的侧滑角的自适应估计值与实际值，其结果表示设计的方法能够自适应跟踪侧滑角的真实值。图6显示了路径跟踪过程中的舵角变换曲线，与PID导引相比较，设计的方法能够更加平滑舵角的变化就达到路径跟踪的目的。图7显示了路径跟踪过程中的法向误差，曲线，与PID导引相比较，设计的方法的法向误差更趋近于零。图8为ALOS导引角以及实际导引角，表明设计的PID自动舵能够跟上实际的导引角度。以上仿真实验结果，验证了本发明的有效性和预期效果。

本发明将侧滑角的自适应估计应用到气垫船的LOS导引当中，对LOS导引律进行侧滑补偿，采用自适应方法在线估计侧滑角度，解决了侧滑角度的估计问题，解决了气垫船在水面航行受外界环境干扰而产生侧滑影响路径跟踪效果问题，提高气垫船路径跟踪的精确度。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于侧滑补偿的气垫船路径跟踪的自适应LOS导引方法，其特征在于：包含如下步骤：

步骤(1)：建立气垫船三自由度运动数学模型：

研究空间运动体，建立固定坐标系和船体运动坐标系，对气垫船横荡、纵荡、和艏摇三个自由度建立三自由度运动数学模型；

步骤(2)：建立误差动态模型：

通过全球定位系统获取气垫船实际位置，与更新参考路径点比较，获取实际位置误差，建立误差动态模型；

步骤(3)：设计自适应侧滑角估计器：

利用误差动态模型，设计自适应侧滑角估计器；

步骤(4)：设计侧滑角补偿的自适应LOS导引律：

利用自适应侧滑角估计器获取侧滑角估计值，设计带有侧滑补偿的自适应LOS导引律；

步骤(5)：设计PID艏向控制器：

利用带有侧滑补偿的自适应LOS导引律，建立PID艏向控制器；

步骤(6)：进行仿真验证。

2.根据权利要求1所述的基于侧滑补偿的气垫船路径跟踪的自适应LOS导引方法，其特征在于：所述的步骤(1)中的三自由度运动数学模型：

上式中，η＝[x,y,ψ]^T，(x,y)表示气垫船位置，ψ表示艏向角；υ＝[u,v,r]^T，u表示气垫船速度，v表示气垫船角速度，r表示气垫船到测量点的距离；M＝diag{m,m,I_z}，m表示气垫船质量，I_z表示转动惯量；τ＝[τ_u,0,τ_r]^T，τ_u表示控制力，τ_r表示控制力矩；d＝[d_u d_v d_r]^T表示外界干扰；D(υ)是附加质量矩阵，R(ψ)是旋转矩阵。

3.根据权利要求2所述的基于侧滑补偿的气垫船路径跟踪的自适应LOS导引方法，其特征在于：所述的附加质量矩阵D(υ)：

旋转矩阵R(ψ)：

上式中，k_mi表示阻尼系数，i＝1,2,3,4,5,6,7。

4.根据权利要求1所述的基于侧滑补偿的气垫船路径跟踪的自适应LOS导引方法，其特征在于：所述的步骤(2)具体为：

P＝[x,y]^T，

ε＝[x_e,y_e]^T,

上式中，x_e是气垫船运动的切向误差，y_e是气垫船运动的法向误差；

建立误差动态模型：

5.根据权利要求1所述的基于侧滑补偿的气垫船路径跟踪的自适应LOS导引方法，其特征在于：所述的步骤(3)中的自适应侧滑角估计器：

自适应侧滑角估计器：

上式中，β为气垫船路径跟踪过程中的侧滑角度，为侧滑角估计值。

6.根据权利要求1所述的基于侧滑补偿的气垫船路径跟踪的自适应LOS导引方法，其特征在于：所述的步骤(4)中的带有侧滑补偿的自适应LOS导引律：

7.根据权利要求1所述的基于侧滑补偿的气垫船路径跟踪的自适应LOS导引方法，其特征在于：所述的步骤(5)中的PID艏向控制器：

上式中，t是时间，δ为偏舵角，ψ_e是航向偏差，K_p是PID控制的比例系数，K_i是PID控制的积分系数，K_d是PID控制的微分系数。