CN109856965B - 一种波浪滑翔器航向跟踪控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波浪滑翔器航向跟踪控制方法，给定期望航向角χ_d，将期望航向角χ_d输入到航向补偿算法中得到补偿后的期望航向角χ_dc；将补偿后的期望航向χ_dc输入到模糊滑模控制器中，解算得到期望舵角δ；期望舵角δ直接作用于波浪滑翔器的尾舵机构，控制波浪滑翔器的航向。本发明利用航向补偿算法消除航向跟踪过程中的稳态误差，引入模糊控制解决传统滑模控制的“抖振”现象，达到航向控制的效果。

Description

一种波浪滑翔器航向跟踪控制方法

技术领域

本发明涉及一种波浪滑翔器航向跟踪控制方法，特别涉及应用于波浪滑翔器运动控制领域。

背景技术

波浪滑翔器是一种新型的海洋移动观测平台，主要由浮体船、脐带缆、牵引机三部分组成。利用以上三部分组成的多刚体结构将波浪能转化为前向动力，利用浮体船上的太阳能电池板为波浪滑翔器导航、通讯和运动控制等模块提供能源供给。波浪滑翔器可实现长时间、大范围的海上自主航行。

波浪滑翔器模型的不确定性与非线性、工作环境的复杂多变使得其航向跟踪控制变得尤为困难。

发明内容

本发明目的在于克服波浪滑翔器由模型不确定性、外界环境干扰等因素导致的航向跟踪误差，实现精确的航向跟踪控制。本发明所涉及的一种波浪滑翔器航向跟踪控制方法也可扩展到与波浪滑翔器结构类似的其他多体机构的航行器上。

本发明的实现步骤如下：

步骤一：给定期望航向角χ_d，将期望航向角χ_d、罗盘测得的当前实际航向角ψ输入到航向补偿器中得到补偿后的期望航向χ_dc；

步骤二：将补偿后的期望航向χ_dc、罗盘测得的当前实际航向角ψ输入到模糊滑模控制器，解算出当前期望舵角δ；

步骤三：将产生的期望舵角δ直接作用于波浪滑翔器的尾舵机构，执行打舵；依次循环上述步骤，可实现波浪滑翔器对期望航向的精确跟踪。

在波浪滑翔器实际航向跟踪控制过程中，期望航向与实际航向之间存在误差，直接导致期望路径与实际路径之间存在偏差，即使在以后的跟踪过程中实际航向能够完全跟踪期望航向，实际的路径跟踪轨迹也将与目标轨迹之间存在误差。本发明的效果是：本发明设计了航向补偿算法消除航向跟踪控制中的稳态误差；为克服传统滑模控制过程中存在的“抖振”现象，引入模糊控制动态调整滑模控制的参数，消除“抖振”现象。

附图说明

图1是基于航向补偿的模糊滑模航向跟踪控制的总体框图；

图2是模糊系统的隶属度函数图；

图3是方波航向跟踪效果仿真图；

图4是正弦航向跟踪效果仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细的描述。

如图1所示，首先给定期望航向角χ_d，将期望航向角χ_d、罗盘测得的当前实际航向角ψ输入到航向补偿器中得到补偿后的期望航向χ_dc。将补偿后的期望航向χ_dc、罗盘测得的当前实际航向角ψ输入到模糊滑模控制器，解算出当前期望舵角δ。将产生的期望舵角δ直接作用于波浪滑翔器的尾舵机构，执行打舵。依次循环上述步骤，可实现波浪滑翔器对期望航向的精确跟踪。

图1中航向补偿控制器方程为：

χ_dc＝χ_d+β(ψ-χ_d) (1)

其中，β＞0为调节参数，用于调节补偿力度，χ_d为预设的期望航向，χ_dc为补偿后的期望航向，ψ为实际航向。

给出在波浪滑翔器中实际航向ψ与期望舵角δ的关系式：

其中，a₁是与流体力学系数相关的未知参数，a₂是开环增益，V_B代表波浪滑翔器的速度，f(V_B，ψ，r，t)代表非线性项，是其他运动参数的耦合，d(t)代表外界干扰。定义跟踪误差为e，当t→∞时，e＝ψ(t)-χ_dc(t)→0。

设计滑模面为：

其中，λ＞0为满足赫尔维茨稳定条件的滑模面设计参数，

D＝f(v_B，ψ，r，t)+d(t)代表非线性动力学和外界干扰。

为了减小滑模控制器的抖振现象，采用指数趋近律为：

其中，ε＞0、k＞0。一个大的k值可以使系统状态快速接近滑模面，一个大的ε值使得系统状态快速收敛于原点。因此，应该选择一个大的k值和小的ε值，在保证大的逼近速度的同时，减小抖振。控制律为：

利用李雅普诺夫函数对滑模控制进行稳定性分析，定义李雅普诺夫函数为：

将式(4)和(5)式带入上式(6)得：

控制律中的参数ε影响响应速度以及抖振大小，为了进一步削弱抖振现象，需要根据一定规则动态的调整参数ε，来达到更好的控制效果。本文针对滑模控制参数ε的动态调整设计二维模糊控制器，定义跟踪误差e及其变化率

作为模糊控制器的输入，

为控制器的输出，其模糊子集均为：负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)。模糊控制器的输入跟踪误差e及其变化率

输出

的隶属度函数如图2所示。

为了验证所提的基于航向补偿的模糊滑模控制在航向跟踪上的有效性，引入PID控制进行对比仿真实验，对比仿真中PID控制参数为k_p＝-1、k_i＝-1.5、k_d＝-2；模糊滑模控制的参数为a₁＝13、k＝12、λ＝15、a₂＝200，航向补偿器的参数β＝0.3。引入干扰项D(t)＝0.55sin(0.01t)+0.33sin(0.1t)。

如图3所示为波浪滑翔器在干扰情况下对方波航向的跟踪效果，相比较于PID控制，本发明所提的算法减轻了超调现象，在满足航向跟踪精度的同时，减少了频繁操舵带来的机械损耗，同时提高了能源利用率。

如图4所示为波浪滑翔器在干扰情况下对正弦航向的跟踪效果，相比较于PID控制方法，本发明所提算法对正弦航向的跟踪效果更好，输出舵角更平滑。

Claims (1)

1.一种波浪滑翔器航向跟踪控制方法，其特征在于，所述一种波浪滑翔器航向跟踪控制方法具有以下步骤：

步骤一：给定期望航向角χ_d，将期望航向角χ_d、罗盘测得的当前实际航向角ψ输入到航向补偿器中，得到补偿后的期望航向角χ_dc，航向补偿器如下所示：

χ_dc＝χ_d+β(ψ-χ_d) (1)

其中，β＞0为调节参数，用于调节补偿力度，χ_d为预设的期望航向角，χ_dc为补偿后的期望航向角，ψ为实际航向角，给出在波浪滑翔器中实际航向角ψ与期望舵角δ的关系式：

其中，a₁是与流体力学系数相关的未知参数，a₂是开环增益，V_B代表波浪滑翔器的速度，f(V_B，ψ，r，t)代表非线性项，是其他运动参数的耦合，d(t)代表外界干扰；定义跟踪误差为e，当t→∞时，e＝ψ(t)-χ_dc(t)→0；

步骤二：将补偿后的期望航向角χ_dc、罗盘测得的当前实际航向角ψ输入到模糊滑模控制器，解算出当前期望舵角δ，滑模控制器如下所示：

设计滑模面为：

其中，a₁是与流体力学系数相关的未知参数，a₂是开环增益，λ＞0为满足赫尔维茨稳定条件的滑模面设计参数，

D＝f(v_B，ψ，r，t)+d(t)代表非线性动力学和外界干扰；

采用指数趋近律为：

其中，ε＞0、k＞0，控制律为：

控制律中的参数ε影响响应速度以及抖振大小，为了进一步削弱抖振现象，需要根据一定规则动态的调整参数ε，来达到更好的控制效果；本文针对滑模控制参数ε的动态调整设计二维模糊控制器，定义跟踪误差e及其变化率

作为模糊控制器的输入，

为控制器的输出，其模糊子集均为：负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)；

步骤三：将产生的期望舵角δ直接作用于波浪滑翔器的尾舵机构，执行打舵，依次循环上述步骤，可实现波浪滑翔器对期望航向的精确跟踪。

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