CN110597262A - 一种基于漂角修正的欠驱动船舶路径跟踪自适应控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于漂角修正的欠驱动船舶路径跟踪自适应控制方法，所述方法至少包括：步骤1：建立目标虚拟船运动学模型，规划目标跟踪路径；步骤2：获取当前时刻的跟踪目标位置和方位角信息；步骤3：计算实船和虚拟船的相对位置误差、实船的LOS指令航向角及其导数；步骤4：获取带有漂角修正的航向角误差信号；步骤5：计算主机推进力矩控制规律和艏摇力矩控制规律，实现路径跟踪控制；步骤6：判断跟踪误差是否为0，如果“是”则结束跟踪，如果“否”则更新状态进入步骤2。
Description
技术领域
本发明涉及船舶运动控制领域，特别是涉及一种基于漂角修正的欠驱动船舶路径跟踪自适应控制方法。
技术背景
欠驱动船舶的路径跟踪控制近十年来一直是船舶控制领域的热点，目前路径跟踪控制的制导方法主要是基于Line of Sight(LOS)算法的目标虚拟船导引方法。假设目标轨迹是虚拟船的运动轨迹，通过控制主机推进力矩和操舵转向力矩使实船准确跟踪虚拟船即可实现欠驱动船舶的路径跟踪控制。
基于确定性模型的控制方法对于确定性条件下的跟踪控制具有很好的效果，基于该类模型的路径跟踪控制方法均需要假设船舶动力学模型中的非线性水动力部分为已知的光滑函数且模型参数向量是维数已知的未知常数，通过估计未知常数和扰动上界的方法实现自适应跟踪控制。但是欠驱动船舶在恶劣海况中航行受外部随机海洋扰动作用，在考虑扰动不确定的同时还需要面对船舶动力学模型的未建模动态和参数不确定问题。因此，基于不确定非线性模型的欠驱动船舶路径跟踪控制更符合实际工况，欠驱动船舶的水平面3自由度非线性动力学模型如下：
其中：(x,y,ψ)为实船的位置和航向角，η＝(u,v,r)为实船纵荡、橫荡、艏摇运动状态向量，fu(η)为纵荡运动的未建模动态，fv(η)为橫荡运动的未建模动态，fr(η)为艏摇运动的未建模动态，gu(t)为纵荡时变控制系数，gr(t)为艏摇时变控制系数，(τu,τr)为主推和转向控制力矩，(τwu,τwv,τwr)为三个运动方向的外部时变扰动。
水平面坐标系下的欠驱动船舶路径跟踪控制如图1所示，其中：为实船的航速。欠驱动船舶在路径跟踪的过程中会产生一个横向漂角β，这是由于操舵转向运动首先使船艏产生一个小的横向漂角改变船体两侧流体分布状态，进而由船体两侧的水动力作用实现船体的转向运动。目前的操舵转向控制算法基本是忽略此漂角作用，采用航向偏差为ψe＝ψr-ψ的形式，但是该漂角的存在会增加超调降低转向控制精度，需要进行修正。因此，恶劣海况下的欠驱动船舶路径跟踪问题需要同时解决模型动态不确定(未建模动态)、参数时变和漂角修正问题。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于漂角修正的欠驱动船舶路径跟踪自适应控制方法，解决欠驱动船舶路径跟踪控制中的模型动态不确定、参数时变和漂角修正问题。
本发明的技术提供的解决方案是：一种基于漂角修正的欠驱动船舶路径跟踪自适应控制方法，具体步骤包括：
步骤1：建立目标虚拟船运动学模型，规划目标跟踪路径；
步骤1中的目标虚拟船运动学模型由如下公式表示：
其中：(xd,yd,ψd)为目标虚拟船的位置和航向角，(ud,vd,rd)为目标虚拟船的设定运动姿态且假设vd＝0，因此虚拟船的航速为
步骤2：获取当前时刻的跟踪目标位置(xd,yd)和方位角ψd信息，进入跟踪控制状态；
步骤3：利用实船的当前时刻位置(x,y)和航向角ψ信息，计算实船和虚拟船的相对位置误差ze、实船的LOS指令航向角ψr及其导数；
步骤4：根据步骤2和步骤3采集指令航向角ψr，实船航向角ψ和漂角β信息并获取带有漂角修正的航向角误差信号ψe；
步骤4中的航向角误差信号采用如下公式计算：
ψe＝ψr-β-ψ
其中：β＝arctan(v/u)是计算获得的漂角信息，v是实船橫荡速度，u是实船纵荡速度。
步骤5：基于Nussbaum增益方法和自适应反步法设计控制规律，计算主机推进力矩控制规律τu和艏摇力矩控制规律τr，通过控制主机和转舵装置驱动实船跟踪目标虚拟船，最终实现路径跟踪控制；
步骤5中的推进力矩控制规律由如下公式表示：
其中：N(ζu)为Nussbaum函数，为纵荡未建模动态(动态不确定)的估计，η＝(u,v,r)为实船的运动姿态向量，为纵荡运动时变扰动上界的估计，ue＝u-αu为纵荡速度的虚拟误差信号，αu为虚拟控制信号，s1为由误差信号定义的滑模面函数，kue和ks1均为设计的正常数。
步骤5中的艏摇力矩控制规律分别由如下公式表示：
其中：N(ζr)为Nussbaum函数，为艏摇未建模动态(动态不确定)的估计，为艏摇运动时变扰动上界的估计，re＝r-αr为艏摇角速度的虚拟误差信号，αr为虚拟控制信号，s2为由误差信号定义的滑模面函数，kre和ks2均为设计的正常数。
步骤6：更新实船的位置测量信息判断跟踪误差是否为0，如果“是”则结束跟踪，如果“否”则更新状态进入步骤2。
本发明的有益效果是：基于Nussbaum增益的自适应控制方法实现漂角修正的欠驱动船舶路径跟踪控制，有效减小跟踪稳态误差和操舵指令信号，同时本发明无需模型中非线性部分的具体建模信息和时变控制系数的先验信息，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是欠驱动船舶路径跟踪控制水平面坐标系示意图；
图2是本发明中欠驱动船舶路径跟踪控制系统结构图；
图3是本发明提供的一种基于漂角修正的欠驱动船舶路径跟踪自适应控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解。
如图2为本发明中欠驱动船舶路径跟踪控制系统结构图、图3是本发明提供的一种基于漂角修正的欠驱动船舶路径跟踪自适应控制方法的流程图，本发明公开的一种基于漂角修正的欠驱动船舶路径跟踪自适应控制方法具体实现如下：
步骤1：建立目标虚拟船运动学模型，规划目标跟踪路径；
目标虚拟船运动学模型由如下公式(1)表示：
其中：(xd,yd,ψd)为目标虚拟船的位置和航向角，(ud,vd,rd)为目标虚拟船的设定运动姿态且假设vd＝0，因此虚拟船的航速为
步骤2：获取当前时刻的跟踪目标位置(xd,yd)和方位角ψd信息，进入跟踪控制状态；
步骤3：利用实船的当前时刻位置(x,y)和航向角ψ信息，计算实船和虚拟船的相对位置误差ze、实船的LOS指令航向角ψr及其导数；
实船LOS指令航向角由公式(2)表示：
其中：sgn(·)为符号函数，为相对位置误差，ze≠0表示实船没有追踪到目标位置，ze＝0表示实船准确跟踪到目标位置，此时要求实船的航向角与目标虚拟船的航向角一致，ψr的导数可由解析方法直接计算获得；
步骤4：根据步骤2和步骤3采集指令航向角ψr，实船航向角ψ和漂角β信息并获取带有漂角修正的航向角误差信号ψe；
航向角误差信号采用如下公式(3)计算：
ψe＝ψr-β-ψ (3)
其中：β＝arctan(v/u)是计算获得的漂角信息，v是实船橫荡速度，u是实船纵荡速度。
步骤5：基于Nussbaum增益方法和自适应反步法设计控制规律，计算主机推进力矩控制规律τu和艏摇力矩控制规律τr，通过控制主机和转舵装置驱动实船跟踪目标虚拟船，最终实现路径跟踪控制；
推进力矩控制规律由如下公式(4)和公式(5)表示：
其中：N(ζu)为Nussbaum函数可根据需要自行选取，见参考文献“Ye,X.,Jiang,J.Adaptive nonlinear design without a priori knowledge of controldirections.IEEE Transactions on Automatic Control,1998,43(11):1617-1621.”，为纵荡未建模动态(动态不确定)的估计，η＝(u,v,r)为实船的运动姿态向量，为纵荡运动时变扰动上界的估计，ue＝u-αu为纵荡速度的虚拟误差信号，αu为虚拟控制信号，s1为由误差信号定义的滑模面函数，kue和ks1均为设计的正常数。
纵荡未建模动态的估计和纵荡运动时变扰动上界的估计可由公式(6)和公式(7)所示的自适应规律计算：
其中：afu，γfu，awu和γwu为设计的正常数，为纵荡时变扰动上界估计的初值。
推进力矩控制规律中的滑模面函数和虚拟控制信号可通过公式(8)和公式(9)计算：
其中：kze为设计的正常数。
艏摇力矩控制规律分别由如下公式(10)和公式(11)表示：
其中：N(ζr)为Nussbaum函数可根据需要自行选取，见参考文献“Ye,X.,Jiang,J.Adaptive nonlinear design without a priori knowledge of controldirections.IEEE Transactions on Automatic Control,1998,43(11):1617-1621.”，为艏摇未建模动态(动态不确定)的估计，为艏摇运动时变扰动上界的估计，re＝r-αr为艏摇角速度的虚拟误差信号，αr为虚拟控制信号，s2为由误差信号定义的滑模面函数，kre和ks2均为设计的正常数。
艏摇力矩控制规律中的滑模面函数和虚拟控制信号可通过公式(12)和公式(13)计算：
其中：afr，γfr，awr和γwr为设计的正常数，为艏摇时变扰动上界估计的初值。
艏摇力矩控制规律中的滑模面函数和虚拟控制信号可通过公式(14)和公式(15)计算：
其中：kψe为设计的正常数。
步骤6：更新实船的位置测量信息判断跟踪误差是否为0，如果“是”则结束跟踪，如果“否”则更新状态进入步骤2。
本发明的有益效果是：基于Nussbaum增益的自适应控制方法实现漂角修正的欠驱动船舶路径跟踪控制，有效减小跟踪稳态误差和操舵指令信号，同时本发明无需模型中非线性部分的具体建模信息和时变控制系数的先验信息，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)
1.一种基于漂角修正的欠驱动船舶路径跟踪自适应控制方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：建立目标虚拟船运动学模型，规划目标跟踪路径；
步骤2：获取当前时刻的跟踪目标位置(xd,yd)和方位角ψd信息，进入跟踪控制状态；
步骤3：利用实船的当前时刻位置(x,y)和航向角ψ信息，计算实船和虚拟船的相对位置误差ze、实船的LOS指令航向角ψr及其导数；
步骤4：根据步骤2和步骤3采集指令航向角ψr，实船航向角ψ和漂角β信息并获取带有漂角修正的航向角误差信号ψe；
步骤5：基于Nussbaum增益方法和自适应反步法设计控制规律，计算主机推进力矩控制规律τu和艏摇力矩控制规律τr，通过控制主机和转舵装置驱动实船跟踪目标虚拟船，最终实现路径跟踪控制；
步骤6：更新实船的位置测量信息判断跟踪误差是否为0，如果“是”则结束跟踪，如果“否”则更新状态进入步骤2。
2.根据权利要求1所述的一种基于漂角修正的欠驱动船舶路径跟踪自适应控制方法，其特征在于：步骤1中所述的目标虚拟船运动学模型由如下公式表示：
其中：(xd,yd,ψd)为目标虚拟船的位置和航向角，(ud,vd,rd)为目标虚拟船的设定运动姿态且假设vd＝0。
3.根据权利要求1所述的一种基于漂角修正的欠驱动船舶路径跟踪自适应控制方法，其特征在于：步骤4中的航向角误差信号采用如下公式计算：
ψe＝ψr-β-ψ
其中：β＝arctan(v/u)是计算获得的漂角信息，v是实船橫荡速度，u是实船纵荡速度。
4.根据权利要求1所述的一种基于漂角修正的欠驱动船舶路径跟踪自适应控制方法，其特征在于：步骤5中的推进力矩控制规律由如下公式表示：
其中：N(ζu)为Nussbaum函数，为纵荡未建模动态(动态不确定)的估计，η＝(u,v,r)为实船的运动姿态向量，为纵荡运动时变扰动上界的估计，ue＝u-αu为纵荡速度的虚拟误差信号，αu为虚拟控制信号，s1为由误差信号定义的滑模面函数，kue和ks1均为设计的正常数。
5.根据权利要求1所述的一种基于漂角修正的欠驱动船舶路径跟踪自适应控制方法，其特征在于：步骤5中的艏摇力矩控制规律分别由如下公式表示：
其中：N(ζr)为Nussbaum函数，为艏摇未建模动态(动态不确定)的估计，为艏摇运动时变扰动上界的估计，re＝r-αr为艏摇角速度的虚拟误差信号，αr为虚拟控制信号，s2为由误差信号定义的滑模面函数，kre和ks2均为设计的正常数。
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