CN109116856A - 一种基于扰动观测器的欠驱动船舶路径跟踪控制方法 - Google Patents

一种基于扰动观测器的欠驱动船舶路径跟踪控制方法 Download PDF

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Abstract

一种基于扰动观测器的欠驱动船舶路径跟踪控制方法，建立虚拟船运动学模型，规划目标参考路径，产生目标参考路径的位置时间序列信号，获取当前时刻跟踪目标的位置(xd,yd)和方位角ψd信息，计算实船与虚拟船的相对位置误差ze、实船LOS航向角指令信号ψr、及其一阶导数和二阶导数，设计非线性扰动观测器，估计扰动，根据鲁棒自适应控制策略设计控制规律，计算主机推进控制力拒指令信号τu和艏摇控制力矩指令信号τr，实现路径跟踪控制。本发明通过非线性扰动观测器方法获取恶劣海况下未知海洋扰动的动态估计信号，有效减小驱动推进和操舵执行机构的控制力矩，可以提高恶劣海况下欠驱动船舶路径跟踪控制的鲁棒性和经济性。

Description

一种基于扰动观测器的欠驱动船舶路径跟踪控制方法
技术领域
本发明涉及船舶运动控制领域，尤其涉及一种基于扰动观测器的欠驱动船舶路径跟踪控制方法。
背景技术
欠驱动船舶的路径跟踪控制近年来一直是船舶控制领域的热点，目前跟踪控制的制导方法主要是基于Line of Sight(LOS)算法的虚拟船导引方法。假设跟踪轨迹为虚拟船的航迹，通过控制推力和操舵使实船跟踪虚拟船进而实现路径跟踪。
基于线性模型的线性控制方法对于确定性条件下的跟踪控制具有很好的效果，但是受随机海洋扰动的欠驱动船舶路径跟踪控制系统，在考虑扰动不确定的同时还需要面对船舶运动模型非线性和不确定性问题。一些学者对基于模型参数不确定的欠驱动船舶跟踪控制进行相关研究，文献“K D DO,Z P Jiang,J Pan.Robust adaptive path followingof underactuated ships.Automatica,2004,42(10):929-944.”研究了欠驱动船舶路径跟踪自适应控制器的设计方法。文献“Jihong Li,Panmook Lee,Bonghuan Jun,YongkonLim.Point-to-point navigation of underactuated ships.Automatica,2008,44(12):3201-3205.”研究了基于反步法的欠驱动船舶路径跟踪控制策。文献“Zhijian Sun,Guoqing Zhang,Bowen Yi,Weidong Zhang.Practical proportional integral slidingmode control for underactuated surface ship in the fields of marinepractice.Ocean Engineering,2017,142:217-223.”研究了欠驱动船舶路径跟踪反步滑模控制器。文献“Guoqing Zhang,Xianku Zhang,Yunfeng Zheng.Adaptive neural path-following control for underactuated ships in fields of marine practice.OceanEngineering,2015,104:558-567.”研究了基于神经网络的欠驱动船舶自适应路径跟踪控制方法。这些学者均采用如下所示的非线性船舶运动模型：
其中：(x,y,ψ)为实船位置和航向角，(u,v,r)为实船纵荡、橫荡和艏摇运动状态，(m11,m22,m33)为三个运动方向的转动惯量，(τu,τr)为主推和艏摇控制力矩，(τwu,τwv,τwr)为三个运动方向的海洋扰动作用力和力矩。
基于该类模型的非线性控制方法均需要假设船舶运动模型为确定的非线性模型，或者假设非线性水动力部分为已知光滑非线性函数且参数是维数已知的未知常数，通过估计未知模型参数和未知海洋扰动上界的自适应方法来实现欠驱动船舶的跟踪控制。但是，船舶受恶劣海况的扰动作用时非线性水动力部分具有不确定性和未建模动态的特点，且参数不具有未知常数的特征，同时在恶劣海况条件下与对海洋扰动的动态估计相比较，对海洋扰动上界的估计会引起控制力拒过大的现象，即执行机构的驱动功率过大。此时基于该类模型的控制方法不能保证路径跟踪控制系统的鲁棒性和经济性。
发明内容
本发明提供一种基于扰动观测器的欠驱动船舶路径跟踪控制方法，通过非线性扰动观测器方法获取恶劣海况下未知海洋扰动的动态估计信号，有效减小驱动推进和操舵执行机构的控制力矩，无需非线性水动力部分的先验信息并对非线性不确定部分做整体估计，可以提高恶劣海况下欠驱动船舶路径跟踪控制的鲁棒性和经济性。
为了达到上述目的，本发明提供一种基于扰动观测器的欠驱动船舶路径跟踪控制方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤S1、建立虚拟船运动学模型；
步骤S2、根据虚拟船运动学模型规划目标参考路径，根据虚拟船运动航迹产生目标参考路径的位置时间序列信号，获取当前时刻跟踪目标的位置(xd,yd)和方位角ψd信息，进入跟踪控制状态；
步骤S3、根据实船测量的当前时刻位置(x,y)和航向角ψ信号，计算实船与虚拟船的相对位置误差ze、实船LOS航向角指令信号ψr、及其一阶导数和二阶导数；
步骤S4、基于船舶动力学模型，设计非线性扰动观测器，估计纵荡扰动力，橫荡扰动力和艏摇扰动力矩；
步骤S5、根据鲁棒自适应控制策略设计控制规律，计算主机推进控制力拒指令信号τu和艏摇控制力矩指令信号τr，通过控制主机和操舵装置驱动实船跟踪虚拟船，最终实现路径跟踪控制。
如权利要求1所述的欠驱动船舶路径跟踪控制方法，其特征在于，所述的步骤S1中，虚拟船运动学模型为：
其中，(xd,yd,ψd)为目标位置和虚拟船的方位角，(ud,vd,rd)为虚拟船的设定运动姿态，(ud是设定的前进速度，vd是设定的横荡速度，rd)是设定的艏摇速度。
如权利要求1所述的欠驱动船舶路径跟踪控制方法，其特征在于，所述的步骤S3中，实船LOS航向角由公式(2)表示：
其中，相对位置误差ze＞0表示实船没有追踪到目标位置，ze＝0表示实船追踪到参考路径的目标点，此时实船的航向角与虚拟船的航向角一致，ψr的导数由解析法直接计算获得。
如权利要求1所述的欠驱动船舶路径跟踪控制方法，其特征在于，所述的步骤S4中，非线性扰动观测器由公式(3)表示：
其中，为三个自由度运动方向的扰动估计，z＝[z1,z2,z3]T为虚拟附加向量，p(θ)为设计的函数且满足条件L＝diag[a1,a2,a3]为正常数的观测器增益向量，θ＝[u,v,r]T为船舶运动姿态；
此时将三个运动自由度的非线性水动力分别整体用一个未知非线性函数代替，表达为公式(4)的形式：
其中：表示模型中的整体非线性部分；
观测器中的虚拟附加变量由公式(5)表示的自适应规律计算：
其中，F＝[fu(θ),fv(θ),fr(θ)]T为非线性水动力向量，M0＝diag[1/m11,0,1/m33]，τc＝[τu,0,τr]T为控制力矩。
如权利要求1所述的欠驱动船舶路径跟踪控制方法，其特征在于，所述的步骤S5中，主推控制力矩信号和艏摇控制力拒信号由公式(6)和公式(7)表示的控制规律计算获取：
其中，m11和m33为船舶转动惯量参数，αu和αr为推力和艏摇的虚拟控制信号，ue＝u-αu和re＝r-αr为推力和艏摇的虚拟误差，(kue,kre)为根据实际工况设置的正常值参数，和分别为欠驱动船舶非线性运动模型中纵荡和艏摇运动方向非线性水动力部分的整体估计，和为纵荡和艏摇运动方向所遭受的未知海洋环境扰动的估计，和为扰动观测误差上界的估计，s1和s2为由跟踪误差信号定义的滑模面函数；
控制规律中的两个滑模面函数是由跟踪误差信号设计的比例积分型滑模面函数，由公式(8)和(9)表示：
控制规律中的虚拟控制信号αu和αr分别通过公式(10)和公式(11)计算：
其中，ψe＝ψ-ψr为实船的航向跟踪误差，(kze,kψe)为根据实际工况设置的正常值参数。
本发明的有益效果是：通过非线性扰动观测器方法获取恶劣海况下未知海洋扰动的动态估计信号，有效减小驱动推进和操舵执行机构的控制力矩，同时本发明无需非线性水动力部分的先验信息并对非线性不确定部分做整体估计，可以提高恶劣海况下欠驱动船舶路径跟踪控制的鲁棒性和经济性。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于扰动观测器的欠驱动船舶路径跟踪控制方法的流程图。
图2是本发明提供的一种基于扰动观测器的欠驱动船舶路径跟踪控制方法的示意图。
具体实施方式
以下根据图1～图2，具体说明本发明的较佳实施例。
如图1和图2所示，本发明提供一种基于扰动观测器的欠驱动船舶路径跟踪控制方法，包含以下步骤：
步骤S1、建立虚拟船运动学模型；
其中，(xd,yd,ψd)为目标位置和虚拟船的方位角，(ud,vd,rd)为虚拟船的设定运动姿态，(ud是设定的前进速度，vd是设定的横荡速度，rd)是设定的艏摇速度，假设橫荡运动姿态被动有界收敛到某小区间，可设定vd为0或一个小的正常数；
步骤S2、根据虚拟船运动学模型规划目标参考路径，根据虚拟船运动航迹产生目标参考路径的位置时间序列信号，获取当前时刻跟踪目标的位置(xd,yd)和方位角ψd信息，进入跟踪控制状态；
步骤S3、根据实船测量的当前时刻位置(x,y)和航向角ψ信号，计算实船与虚拟船的相对位置误差ze、实船LOS航向角指令信号ψr、及其一阶导数和二阶导数；
实船LOS航向角由公式(2)表示：
其中，相对位置误差ze＞0表示实船没有追踪到目标位置，ze＝0表示实船追踪到参考路径的目标点，此时实船的航向角与虚拟船的航向角一致，ψr的导数由解析法直接计算获得；
步骤S4、基于船舶动力学模型，设计非线性扰动观测器，估计时变海洋环境扰动；
所述的扰动包含：纵荡扰动力，橫荡扰动力和艏摇扰动力矩；
非线性扰动观测器由公式(3)表示：
其中，为三个自由度运动方向的扰动估计，z＝[z1,z2,z3]T为虚拟附加向量，p(θ)为设计的函数且满足条件L＝diag[a1,a2,a3]为正常数的观测器增益向量，θ＝[u,v,r]T为船舶运动姿态；
区别于前述文献中的船舶运动模型，此时的船舶非线性运动模型将三个运动自由度的非线性水动力分别整体用一个未知非线性函数代替，表达为公式(4)的形式：
其中：表示模型中的整体非线性部分；
观测器中的虚拟附加变量由公式(5)表示的自适应规律计算：
其中：F＝[fu(θ),fv(θ),fr(θ)]T为非线性水动力向量，M0＝diag[1/m11,0,1/m33]，τc＝[τu,0,τr]T为控制力矩；
步骤S5、根据鲁棒自适应控制策略设计控制规律，计算主机推进控制力拒指令信号τu和艏摇控制力矩指令信号τr，通过控制主机和操舵装置驱动实船跟踪虚拟船，最终实现路径跟踪控制；
主推控制力矩信号和艏摇控制力拒信号由公式(6)和公式(7)表示的控制规律计算获取：
其中，m11和m33为船舶转动惯量参数，αu和αr为推力和艏摇的虚拟控制信号，ue＝u-αu和re＝r-αr为推力和艏摇的虚拟误差，(kue,kre)为根据实际工况设置的正常值参数，和分别为欠驱动船舶非线性运动模型中纵荡和艏摇运动方向非线性水动力部分的整体估计，和为纵荡和艏摇运动方向所遭受的未知海洋环境扰动的估计，和为扰动观测误差上界的估计，s1和s2为由跟踪误差信号定义的滑模面函数；由于假设橫荡运动姿态v是被动有界的，因此控制规律的设计不需要将其考虑；
控制规律中的两个滑模面函数是由跟踪误差信号设计的比例积分型滑模面函数，由公式(8)和(9)表示：
控制规律中的虚拟控制信号αu和αr分别通过公式(10)和公式(11)计算：
其中，ψe＝ψ-ψr为实船的航向跟踪误差，(kze,kψe)为根据实际工况设置的正常值参数；
步骤S6、更新实船的当前时刻位置(x,y)，判断目标跟踪误差是否为0，如果是，则结束跟踪，如果否，则令t＝t+1(t是当前时刻)，更新下一时刻位置，进行步骤S2。
本发明的有益效果是：通过非线性扰动观测器方法获取恶劣海况下未知海洋扰动的动态估计信号，有效减小驱动推进和操舵执行机构的控制力矩，同时本发明无需非线性水动力部分的先验信息并对非线性不确定部分做整体估计，可以提高恶劣海况下欠驱动船舶路径跟踪控制的鲁棒性和经济性。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (5)

1.一种基于扰动观测器的欠驱动船舶路径跟踪控制方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤S1、建立虚拟船运动学模型；
步骤S2、根据虚拟船运动学模型规划目标参考路径，根据虚拟船运动航迹产生目标参考路径的位置时间序列信号，获取当前时刻跟踪目标的位置(xd,yd)和方位角ψd信息，进入跟踪控制状态；
步骤S3、根据实船测量的当前时刻位置(x,y)和航向角ψ信号，计算实船与虚拟船的相对位置误差ze、实船LOS航向角指令信号ψr、及其一阶导数和二阶导数；
步骤S4、基于船舶动力学模型，设计非线性扰动观测器，估计纵荡扰动力，橫荡扰动力和艏摇扰动力矩；
步骤S5、根据鲁棒自适应控制策略设计控制规律，计算主机推进控制力拒指令信号τu和艏摇控制力矩指令信号τr，通过控制主机和操舵装置驱动实船跟踪虚拟船，最终实现路径跟踪控制。
2.如权利要求1所述的基于扰动观测器的欠驱动船舶路径跟踪控制方法，其特征在于，所述的步骤S1中，虚拟船运动学模型为：
其中，(xd,yd,ψd)为目标位置和虚拟船的方位角，(ud,vd,rd)为虚拟船的设定运动姿态，(ud是设定的前进速度，vd是设定的横荡速度，rd)是设定的艏摇速度。
3.如权利要求1所述的基于扰动观测器的欠驱动船舶路径跟踪控制方法，其特征在于，所述的步骤S3中，实船LOS航向角由公式(2)表示：
其中，相对位置误差ze＞0表示实船没有追踪到目标位置，ze＝0表示实船追踪到参考路径的目标点，此时实船的航向角与虚拟船的航向角一致，ψr的导数由解析法直接计算获得。
4.如权利要求1所述的基于扰动观测器的欠驱动船舶路径跟踪控制方法，其特征在于，所述的步骤S4中，非线性扰动观测器由公式(3)表示：
其中，为三个自由度运动方向的扰动估计，z＝[z1,z2,z3]T为虚拟附加向量，p(θ)为设计的函数且满足条件L＝diag[a1,a2,a3]为正常数的观测器增益向量，θ＝[u,v,r]T为船舶运动姿态；
此时将三个运动自由度的非线性水动力分别整体用一个未知非线性函数代替，表达为公式(4)的形式：
其中：表示模型中的整体
非线性部分；
观测器中的虚拟附加变量由公式(5)表示的自适应规律计算：
其中，F＝[fu(θ),fv(θ),fr(θ)]T为非线性水动力向量，
M0＝diag[1/m11,0,1/m33]，τc＝[τu,0,τr]T为控制力矩。
5.如权利要求1所述的基于扰动观测器的欠驱动船舶路径跟踪控制方法，其特征在于，所述的步骤S5中，主推控制力矩信号和艏摇控制力拒信号由公式(6)和公式(7)表示的控制规律计算获取：
其中，m11和m33为船舶转动惯量参数，αu和αr为推力和艏摇的虚拟控制信号，ue＝u-αu和re＝r-αr为推力和艏摇的虚拟误差，(kue,kre)为根据实际工况设置的正常值参数，和分别为欠驱动船舶非线性运动模型中纵荡和艏摇运动方向非线性水动力部分的整体估计，和为纵荡和艏摇运动方向所遭受的未知海洋环境扰动的估计，和为扰动观测误差上界的估计，s1和s2为由跟踪误差信号定义的滑模面函数；
控制规律中的两个滑模面函数是由跟踪误差信号设计的比例积分型滑模面函数，由公式(8)和(9)表示：
控制规律中的虚拟控制信号αu和αr分别通过公式(10)和公式(11)计算：
其中，ψe＝ψ-ψr为实船的航向跟踪误差，(kze,kψe)为根据实际工况设置的正常值参数。
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