CN111045432B - 一种欠驱动水面船非线性路径跟踪控制系统及方法 - Google Patents

一种欠驱动水面船非线性路径跟踪控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于船舶路径跟踪控制技术领域，具体涉及一种欠驱动水面船非线性路径跟踪控制系统及方法。本发明在设计纵向速度与艏向角双重制导律的基础上，考虑执行机构的死区特性，设计基于输入死区的控制器使得欠驱动水面船能够很好地跟踪期望路径，解决了执行机构的输入死区特性对跟踪性能的不利影响。本发明依据路径跟踪横向误差设计了期望纵向速度和艏向角导引系统，能够更快地使得欠驱动水面船到达期望路径；此外基于执行机构的输入死区特性，设计控制律，改善了控制系统的控制性能。

Description

一种欠驱动水面船非线性路径跟踪控制系统及方法
技术领域
本发明属于船舶路径跟踪控制技术领域，具体涉及一种欠驱动水面船非线性路径跟踪控制系统及方法。
背景技术
近年来，随着各国将目光越来越多地投向海洋，欠驱动水面船受到各方大量的关注，它们被广泛应用在军事和民用方面。而在执行各种任务时，欠驱动水面船的路径跟踪控制起着至关重要的作用。
路径跟踪问题是指：通过设计控制指令使得欠驱动水面船在没有时间限制的情况下，能够到达并跟踪预先设定的期望路径。路径跟踪控制系统通常分成导引系统和控制系统。在设计路径跟踪的导引系统时，大部分文献运用视线法生成期望的艏向角，而期望纵向速度是提前设定的。在这情况下，只有期望艏向角与横向路径跟踪误差有关，而期望纵向速度与横向跟踪误差无关。此外，在设计路径跟踪控制系统时，大多数文献所设计的控制器并没有考虑执行机构输入死区特性。如果不考虑执行机构的输入死区特性，控制性能会受到影响。
中国专利CN09189071A提出了一种基于模糊观测器的鲁棒自适应无人船路径跟踪控制方法，通过导引系统生成期望纵向速度和艏向角，在运用控制系统使得无人船能够跟踪期望路径。与该方法的不同是，本发明通过得到期望航速来生成期望纵向速度，并在稳定性证明时考虑了制导律生成的期望值和实际值之间的误差，此外在运用纵向速度和艏向制导时，还考虑执行机构输入死区限制设计了欠驱动水面船路径跟踪控制器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种欠驱动水面船非线性路径跟踪控制系统。
本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括导引系统1，控制系统2，执行机构3，传感器系统6，纵向干扰观测器13，艏向干扰观测器14；所述的传感器系统包括位姿传感器7和速度传感器8，传感器系统将测得的船舶位姿和速度信息分别传递给导引系统1、控制系统2、纵向干扰观测器13以及艏向干扰观测器14；所述的导引系统1包括纵向速度制导器9和艏向角制导器10，导引系统1计算期望纵向速度和期望艏向角，并传递给控制系统2；所述的纵向干扰观测器13计算纵向合成干扰力估计值，并传递给控制系统2；所述的艏向干扰观测器14计算艏向合成干扰力估计值，并传递给控制系统2；所述的控制系统2包括纵向速度控制器11和艏向控制器12，控制系统2生成纵向控制力指令和艏向控制力矩指令，并传递给执行机构3；所述的执行机构3基于本身的死区特性，得到最终的实际纵向推力和艏向力矩，作用在欠驱动水面船上。
本发明的目的还在于提供一种欠驱动水面船非线性路径跟踪控制方法。
本发明的目的通过如下技术方案来实现：采用欠驱动水面船非线性路径跟踪控制系统；所述的欠驱动水面船非线性路径跟踪控制系统包括导引系统1，控制系统2，执行机构3，传感器系统6，纵向干扰观测器13，艏向干扰观测器14；所述的传感器系统包括位姿传感器7和速度传感器8；所述的导引系统1包括纵向速度制导器9和艏向角制导器10；所述的控制系统2包括纵向速度控制器11和艏向控制器12；具体包括以下步骤：
步骤1：传感器系统6中的位姿传感器7测量欠驱动水面船的位姿信息，得到北东坐标系下欠驱动水面船在水平面的位置和艏向角(x,y,ψ)；传感器系统6中的速度传感器8测量欠驱动水面船的速度信息，得到欠驱动水面船在船体坐标系下的纵向速度、横向速度和艏向角速度(u,v,r)；传感器系统6将测量获得的位姿信息和速度信息分别传递给导引系统1、控制系统2、纵向干扰观测器13以及艏向干扰观测器14；
步骤2：导引系统1中的纵向速度制导器9基于测得的位姿信息和速度信息与期望路径，计算得到欠驱动水面船的期望纵向速度ud；
Figure BDA0002350150170000021
其中，
Figure BDA0002350150170000022
ye为路径跟踪横向误差；k1为设计参数，Δ为设定的前向距离；
导引系统1中的艏向角制导器10基于测得的位姿信息和速度信息与期望路径，计算得到欠驱动水面船的期望艏向角ψd；
Figure BDA0002350150170000023
其中，βd为期望侧滑角，
Figure BDA0002350150170000024
在路径上一点(xp(θ),yp(θ))定义一个路径切向参考系，纵轴Xp沿该点在路径上的切线向前方向，横轴Yp沿该点的法线向右方向，φp为北东坐标系的纵轴与Xp轴之间的夹角；
φp＝atan2(y′p(θ),x′p(θ))
其中：
Figure BDA0002350150170000025
θ为路径参数化变量；
导引系统1将计算得到的期望纵向速度ud和期望艏向角ψd传递给控制系统2；
步骤3：纵向干扰观测器13基于测得的速度信息计算纵向合成干扰力估计值
Figure BDA0002350150170000026
并传递给控制系统2；
Figure BDA0002350150170000031
其中，k3为纵向干扰观测器增益；p1为纵向干扰观测器状态；
步骤4：艏向干扰观测器14基于测得的位姿信息计算艏向合成干扰力估计值
Figure BDA0002350150170000032
并传递给控制系统2；
Figure BDA0002350150170000033
其中，k4为艏向干扰观测器增益；p2为艏向干扰观测器状态；
步骤5：控制系统2的纵向速度控制器11生成纵向控制力指令，控制系统2的艏向控制器12生成艏向控制力矩指令；控制系统2将纵向控制力指令和艏向控制力矩指令传递给执行机构3；所述的纵向控制力指令为：
Figure BDA0002350150170000034
其中，m11为船舶在纵向的惯性系数；ku为纵向速度控制器参数；误差变量ue＝u-ud；
所述的艏向控制力矩指令为：
Figure BDA0002350150170000035
其中，m33为船舶在艏向的惯性系数；kr为艏向控制器参数；误差变量re＝r-rd；rd为设计的虚拟控制输入，
Figure BDA0002350150170000036
kψ为虚拟控制参数，误差变量ψe＝ψ-ψd；
步骤6：执行机构3基于本身的死区特性，得到最终的实际纵向推力和艏向力矩，作用在欠驱动水面船上，实现对期望路径的准确跟踪。
本发明的有益效果在于：
本发明在设计纵向速度与艏向角双重制导律的基础上，考虑执行机构的死区特性，设计基于输入死区的控制器使得欠驱动水面船能够很好地跟踪期望路径，解决了执行机构的输入死区特性对跟踪性能的不利影响。本发明依据路径跟踪横向误差设计了期望纵向速度和艏向角导引系统，能够更快地使得欠驱动水面船到达期望路径；此外基于执行机构的输入死区特性，设计控制律，改善了控制系统的控制性能。
附图说明
图1为本发明的一种欠驱动水面船非线性路径跟踪控制系统的结构图。
图2为欠驱动水面船路径跟踪几何图。
图3为本发明实施例中欠驱动水面船期望路径和实际路径图。
图4为本发明实施例中欠驱动水面船路径跟踪纵向误差和横向误差对比图。
图5为本发明实施例中欠驱动水面船艏向跟踪对比图。
图6为本发明实施例中欠驱动水面船纵向速度跟踪图。
图7为本发明实施例中考虑和未考虑输入死区的实际控制输入对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明基于执行机构输入死区，设计了一种欠驱动水面船非线性路径跟踪控制系统，如图1所示，包括导引系统1，控制系统2，执行机构3，传感器系统6，纵向干扰观测器13，艏向干扰观测器14。传感器系统包括位姿传感器7和速度传感器8，传感器系统将测得的船舶位姿和速度信息分别传递给导引系统1、控制系统2、纵向干扰观测器13以及艏向干扰观测器14。导引系统1包括纵向速度制导器9和艏向角制导器10，导引系统1计算期望纵向速度和期望艏向角，并传递给控制系统2。纵向干扰观测器13计算纵向合成干扰力估计值，并传递给控制系统2。艏向干扰观测器14计算艏向合成干扰力估计值，并传递给控制系统2。控制系统2包括纵向速度控制器11和艏向控制器12，控制系统2生成纵向控制力指令和艏向控制力矩指令，并传递给执行机构3。执行机构3基于本身的死区特性，得到最终的实际纵向推力和艏向力矩，作用在欠驱动水面船上。
本发明在设计纵向速度与艏向角双重制导律的基础上，考虑执行机构的死区特性，设计基于输入死区的控制器使得欠驱动水面船能够很好地跟踪期望路径，解决了执行机构的输入死区特性对跟踪性能的不利影响。本发明依据路径跟踪横向误差设计了期望纵向速度和艏向角导引系统，能够更快地使得欠驱动水面船到达期望路径；此外基于执行机构的输入死区特性，设计控制律，改善了控制系统的控制性能。
本发明在一种欠驱动水面船非线性路径跟踪控制系统的基础上提供了一种欠驱动水面船非线性路径跟踪控制方法。
一种欠驱动水面船非线性路径跟踪控制方法，采用欠驱动水面船非线性路径跟踪控制系统；具体包括以下步骤：
步骤1：传感器系统6中的位姿传感器7测量欠驱动水面船的位姿信息，得到北东坐标系下欠驱动水面船在水平面的位置和艏向角(x,y,ψ)；传感器系统6中的速度传感器8测量欠驱动水面船的速度信息，得到欠驱动水面船在船体坐标系下的纵向速度、横向速度和艏向角速度(u,v,r)；传感器系统6将测量获得的位姿信息和速度信息分别传递给导引系统1、控制系统2、纵向干扰观测器13以及艏向干扰观测器14；
步骤2：导引系统1中的纵向速度制导器9基于测得的位姿信息和速度信息与期望路径，计算得到欠驱动水面船的期望纵向速度ud；
Figure BDA0002350150170000051
其中，
Figure BDA0002350150170000052
ye为路径跟踪横向误差；k1为设计参数，Δ为设定的前向距离；
导引系统1中的艏向角制导器10基于测得的位姿信息和速度信息与期望路径，计算得到欠驱动水面船的期望艏向角ψd；
Figure BDA0002350150170000053
其中，βd为期望侧滑角，
Figure BDA0002350150170000054
在路径上一点(xp(θ),yp(θ))定义一个路径切向参考系，纵轴Xp沿该点在路径上的切线向前方向，横轴Yp沿该点的法线向右方向，φp为北东坐标系的纵轴与Xp轴之间的夹角；
φp＝atan2(y′p(θ),x′p(θ))
其中：
Figure BDA0002350150170000055
θ为路径参数化变量；
导引系统1将计算得到的期望纵向速度ud和期望艏向角ψd传递给控制系统2；
步骤3：纵向干扰观测器13基于测得的速度信息计算纵向合成干扰力估计值
Figure BDA0002350150170000056
并传递给控制系统2；
Figure BDA0002350150170000057
其中，k3为纵向干扰观测器增益；p1为纵向干扰观测器状态；
步骤4：艏向干扰观测器14基于测得的位姿信息计算艏向合成干扰力估计值
Figure BDA0002350150170000058
并传递给控制系统2；
Figure BDA0002350150170000059
其中，k4为艏向干扰观测器增益；p2为艏向干扰观测器状态；
步骤5：控制系统2的纵向速度控制器11生成纵向控制力指令，控制系统2的艏向控制器12生成艏向控制力矩指令；控制系统2将纵向控制力指令和艏向控制力矩指令传递给执行机构3；所述的纵向控制力指令为：
Figure BDA0002350150170000061
其中，m11为船舶在纵向的惯性系数；ku为纵向速度控制器参数；误差变量ue＝u-ud；
所述的艏向控制力矩指令为：
Figure BDA0002350150170000062
其中，m33为船舶在艏向的惯性系数；kr为艏向控制器参数；误差变量re＝r-rd；rd为设计的虚拟控制输入，
Figure BDA0002350150170000063
kψ为虚拟控制参数，误差变量ψe＝ψ-ψd；
步骤6：执行机构3基于本身的死区特性，得到最终的实际纵向推力和艏向力矩，作用在欠驱动水面船上，实现对期望路径的准确跟踪。
本发明的一种欠驱动水面船非线性路径跟踪控制方法的推导过程如下：
1.建立欠驱动水面船三自由度数学模型
船舶水平面的运动学模型为：
Figure BDA0002350150170000064
Figure BDA0002350150170000065
Figure BDA0002350150170000066
其中：(x,y,ψ)为北东坐标系下欠驱动水面船在水平面的位置和艏向角；(u,v,r)为欠驱动水面船在船体坐标系下的纵向、横向速度和艏向角速度。
船舶的动力学模型为：
Figure BDA0002350150170000067
Figure BDA0002350150170000068
Figure BDA0002350150170000069
其中：mii,dii,i＝1,2,3为船舶在纵向、横向和艏向上的惯性系数和阻尼系数。τ＝[τu,0,τr]T为作用在船舶上的实际控制力和力矩；τw(t)＝[τw1,τw2,τw3]T表示船舶在纵向、横向和艏向受到的未知时变环境干扰。
考虑执行机构的输入死区特性，则有：
Figure BDA0002350150170000071
其中：i＝u,r，σ＝[σu,0,σr]T表示设计的控制指令，bi为死区区间的值。
执行机构的死区非线性可以重新写成：
τi＝σi-hi(σi)
其中：i＝u,r；
Figure BDA0002350150170000072
于是欠驱动水面船的动力学模型可以写为：
Figure BDA0002350150170000073
Figure BDA0002350150170000074
Figure BDA0002350150170000075
2.建立路径跟踪误差动态模型
如图2所示，在路径上一点(xp(θ),yp(θ))定义一个路径切向参考系，纵轴Xp沿该点在路径上的切线向前方向，横轴Yp沿该点的法线向右方向。北东坐标系的纵轴与Xp轴之间的夹角为：
φp＝atan2(y′p(θ),x′p(θ))
其中：
Figure BDA0002350150170000076
θ为路径参数化变量。
在路径切向参考系下的路径跟踪误差表示为：
Figure BDA0002350150170000077
其中：xe为路径跟踪纵向误差，ye为路径跟踪横向误差。
建立路径跟踪误差动态模型为：
Figure BDA0002350150170000078
Figure BDA0002350150170000079
其中：
Figure BDA0002350150170000081
是期望路径上虚拟点的速度。
3.设计纵向速度和艏向制导律
Figure BDA0002350150170000082
Figure BDA0002350150170000083
Figure BDA0002350150170000084
ux＝k2xe+Udcos(ψ-φp+βd)
其中：k1,k2为设计参数，
Figure BDA0002350150170000085
是期望侧滑角。
路径跟踪误差动态模型可重新写为：
Figure BDA0002350150170000086
Figure BDA0002350150170000087
其中：
Figure BDA0002350150170000088
ue＝u-ud，ψe＝ψ-ψd。
制导律稳定性证明：
取李亚普诺夫函数：
Figure BDA0002350150170000089
对李亚普诺夫函数求导得：
Figure BDA00023501501700000810
运用杨氏不等式得
Figure BDA00023501501700000811
Figure BDA00023501501700000812
因此有
Figure BDA00023501501700000813
其中：
Figure BDA0002350150170000091
由此可知跟踪误差是最终一致有界的，导引系统的稳定性得到证明。
4.控制器设计
船舶动力学模型重新写为：
Figure BDA0002350150170000092
Figure BDA0002350150170000093
Figure BDA0002350150170000094
其中：du＝m22vr-d11u+τw1+hu为纵向合成干扰；dr＝-(m22-m11)uv-d33r+τw3+hr为艏向合成干扰。
1)纵向速度控制器
定义误差变量：
ue＝u-ud
对误差变量ue求导得：
Figure BDA0002350150170000095
纵向干扰观测器设计：
Figure BDA0002350150170000096
Figure BDA0002350150170000097
其中：k3为观测器增益，p1是干扰观测器状态，
Figure BDA0002350150170000098
是干扰du的估计值。
设计纵向速度控制律为：
Figure BDA0002350150170000099
其中：ku为控制器参数。
选取李亚普诺夫函数：
Figure BDA00023501501700000910
其中：
Figure BDA00023501501700000911
对其求导得：
Figure BDA0002350150170000101
运用杨氏不等式得：
Figure BDA0002350150170000102
Figure BDA0002350150170000103
因此有
Figure BDA0002350150170000104
其中：
Figure BDA0002350150170000105
由此可知，纵向速度误差和纵向合成干扰误差是最终一致有界的。
2)艏向控制器设计：
第一步：定义误差变量为：
ψe＝ψ-ψd
选取李亚普诺夫函数：
Figure BDA0002350150170000106
对其求导得：
Figure BDA0002350150170000107
因此，设计的虚拟控制输入为
Figure BDA0002350150170000108
第二步：定义误差变量为：
re＝r-rd
对误差变量re求导得：
Figure BDA0002350150170000109
艏向干扰观测器设计为：
Figure BDA0002350150170000111
Figure BDA0002350150170000112
其中：k4为观测器增益，p2是干扰观测器状态，
Figure BDA0002350150170000113
是干扰dr的估计值。
设计艏向角控制律为：
Figure BDA0002350150170000114
选取李亚普诺夫函数：
Figure BDA0002350150170000115
其中：
Figure BDA0002350150170000116
对其求导得：
Figure BDA0002350150170000117
运用杨氏不等式可得：
Figure BDA0002350150170000118
Figure BDA0002350150170000119
因此有：
Figure BDA00023501501700001110
其中：
Figure BDA00023501501700001111
由此可知，艏向跟踪误差和艏向合成干扰误差是最终一致有界的。控制系统的稳定性得到证明。
本发明对某欠驱动水面船进行仿真实验，仿真结果见附图3至图7。
通过图3可以看出，欠驱动水面船能够较好的跟踪期望轨迹。图4、5、6则可以看出考虑死区的情况下，船舶的跟踪性能相比未考虑死区的好。图7显示考虑死区和未考虑死区的纵向推力和艏向力矩。因此可以得到，本发明基于执行机构输入死区设计的控制器具有良好的控制效果。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种欠驱动水面船非线性路径跟踪控制系统，其特征在于：包括导引系统(1)，控制系统(2)，执行机构(3)，传感器系统(6)，纵向干扰观测器(13)，艏向干扰观测器(14)；所述的传感器系统包括位姿传感器(7)和速度传感器(8)，传感器系统将测得的船舶位姿和速度信息分别传递给导引系统(1)、控制系统(2)、纵向干扰观测器(13)以及艏向干扰观测器(14)；所述的导引系统(1)包括纵向速度制导器(9)和艏向角制导器(10)，导引系统(1)计算期望纵向速度和期望艏向角，并传递给控制系统(2)；所述的纵向干扰观测器(13)计算纵向合成干扰力估计值，并传递给控制系统(2)；所述的艏向干扰观测器(14)计算艏向合成干扰力估计值，并传递给控制系统(2)；所述的控制系统(2)包括纵向速度控制器(11)和艏向控制器(12)，控制系统(2)生成纵向控制力指令和艏向控制力矩指令，并传递给执行机构(3)；所述的执行机构(3)基于本身的死区特性，得到最终的实际纵向推力和艏向力矩，作用在欠驱动水面船上。
2.一种欠驱动水面船非线性路径跟踪控制方法，其特征在于：采用欠驱动水面船非线性路径跟踪控制系统；所述的欠驱动水面船非线性路径跟踪控制系统包括导引系统(1)，控制系统(2)，执行机构(3)，传感器系统(6)，纵向干扰观测器(13)，艏向干扰观测器(14)；所述的传感器系统包括位姿传感器(7)和速度传感器(8)；所述的导引系统(1)包括纵向速度制导器(9)和艏向角制导器(10)；所述的控制系统(2)包括纵向速度控制器(11)和艏向控制器(12)；具体包括以下步骤：
步骤1：传感器系统(6)中的位姿传感器(7)测量欠驱动水面船的位姿信息，得到北东坐标系下欠驱动水面船在水平面的位置和艏向角(x,y,ψ)；传感器系统(6)中的速度传感器(8)测量欠驱动水面船的速度信息，得到欠驱动水面船在船体坐标系下的纵向速度、横向速度和艏向角速度(u,v,r)；传感器系统(6)将测量获得的位姿信息和速度信息分别传递给导引系统(1)、控制系统(2)、纵向干扰观测器(13)以及艏向干扰观测器(14)；
步骤2：导引系统(1)中的纵向速度制导器(9)基于测得的位姿信息和速度信息与期望路径，计算得到欠驱动水面船的期望纵向速度ud；
Figure FDA0002350150160000011
其中，
Figure FDA0002350150160000012
ye为路径跟踪横向误差；k1为设计参数，Δ为设定的前向距离；
导引系统(1)中的艏向角制导器(10)基于测得的位姿信息和速度信息与期望路径，计算得到欠驱动水面船的期望艏向角ψd；
Figure FDA0002350150160000021
其中，βd为期望侧滑角，
Figure FDA0002350150160000022
在路径上一点(xp(θ),yp(θ))定义一个路径切向参考系，纵轴Xp沿该点在路径上的切线向前方向，横轴Yp沿该点的法线向右方向，φp为北东坐标系的纵轴与Xp轴之间的夹角；
φp＝atan2(y′p(θ),x′p(θ))
其中：
Figure FDA0002350150160000023
θ为路径参数化变量；
导引系统(1)将计算得到的期望纵向速度ud和期望艏向角ψd传递给控制系统(2)；
步骤3：纵向干扰观测器(13)基于测得的速度信息计算纵向合成干扰力估计值
Figure FDA0002350150160000024
并传递给控制系统(2)；
Figure FDA0002350150160000025
其中，k3为纵向干扰观测器增益；p1为纵向干扰观测器状态；
步骤4：艏向干扰观测器(14)基于测得的位姿信息计算艏向合成干扰力估计值
Figure FDA0002350150160000026
并传递给控制系统(2)；
Figure FDA0002350150160000027
其中，k4为艏向干扰观测器增益；p2为艏向干扰观测器状态；
步骤5：控制系统(2)的纵向速度控制器(11)生成纵向控制力指令，控制系统(2)的艏向控制器(12)生成艏向控制力矩指令；控制系统(2)将纵向控制力指令和艏向控制力矩指令传递给执行机构(3)；所述的纵向控制力指令为：
Figure FDA0002350150160000028
其中，m11为船舶在纵向的惯性系数；ku为纵向速度控制器参数；误差变量ue＝u-ud；
所述的艏向控制力矩指令为：
Figure FDA0002350150160000029
其中，m33为船舶在艏向的惯性系数；kr为艏向控制器参数；误差变量re＝r-rd；rd为设计的虚拟控制输入，
Figure FDA0002350150160000031
kψ为虚拟控制参数，误差变量ψe＝ψ-ψd；
步骤6：执行机构(3)基于本身的死区特性，得到最终的实际纵向推力和艏向力矩，作用在欠驱动水面船上，实现对期望路径的准确跟踪。
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Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111580523B (zh) * 2020-05-19 2022-09-27 哈尔滨工程大学 一种基于侧滑角补偿的无人艇路径跟踪自抗扰控制方法
CN111798702B (zh) * 2020-07-07 2022-05-31 中国船舶工业系统工程研究院 无人艇路径跟踪控制方法、系统、存储介质及终端
CN112015086B (zh) * 2020-08-05 2022-04-26 山东科技大学 一种欠驱动水面船有限时间路径跟踪输出反馈控制方法
CN112230550B (zh) * 2020-10-29 2023-10-13 哈尔滨工程大学 一种欠驱船的轨迹跟踪指定时间收敛控制系统
CN112346465B (zh) * 2020-11-27 2022-09-02 哈尔滨工程大学 基于ialos导引律的欠驱无人船自适应模糊控制方法
CN112327883B (zh) * 2020-11-27 2023-01-03 哈尔滨工程大学 基于扩张状态观测器的欠驱动水面船路径跟踪控制方法
CN113895594B (zh) * 2021-09-22 2023-04-07 中国船舶重工集团公司第七0七研究所九江分部 一种基于水下动态回收平台的auv回收方法
CN114564029B (zh) * 2022-03-21 2022-10-11 哈尔滨理工大学 基于直接参数化法的全驱动船舶轨迹跟踪控制方法和装置

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102298326A (zh) * 2011-06-30 2011-12-28 哈尔滨工程大学 欠驱动auv自适应轨迹跟踪控制装置及控制方法
CN104076821A (zh) * 2014-06-19 2014-10-01 哈尔滨工程大学 基于模糊自适应观测器的欠驱动水面艇轨迹跟踪控制系统
CN106444806A (zh) * 2016-09-27 2017-02-22 哈尔滨工程大学 基于生物速度调节的欠驱动auv三维轨迹跟踪控制方法
CN108519736A (zh) * 2018-03-29 2018-09-11 北京航天控制仪器研究所 一种usv轨迹跟踪反步滑模控制方法
US10118696B1 (en) * 2016-03-31 2018-11-06 Steven M. Hoffberg Steerable rotating projectile
CN108897217A (zh) * 2018-07-04 2018-11-27 西北工业大学 一种基于模型预测控制的欠驱动水面船轨迹跟踪控制方法
CN109116856A (zh) * 2018-09-28 2019-01-01 上海海事大学 一种基于扰动观测器的欠驱动船舶路径跟踪控制方法
CN110308735A (zh) * 2019-03-08 2019-10-08 哈尔滨工程大学 一种针对输入时滞的欠驱动uuv轨迹跟踪滑模控制方法
CN110377036A (zh) * 2019-07-09 2019-10-25 哈尔滨工程大学 一种基于指令约束的无人水面艇航迹跟踪固定时间控制方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9547991B2 (en) * 2013-05-23 2017-01-17 Honeywell International Inc. Aircraft precision approach and shipboard landing control system and method
US20190219026A1 (en) * 2018-01-17 2019-07-18 Lone Gull Holdings, Ltd. Self-powered, self-propelled computer grid with loop topology

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102298326A (zh) * 2011-06-30 2011-12-28 哈尔滨工程大学 欠驱动auv自适应轨迹跟踪控制装置及控制方法
CN104076821A (zh) * 2014-06-19 2014-10-01 哈尔滨工程大学 基于模糊自适应观测器的欠驱动水面艇轨迹跟踪控制系统
US10118696B1 (en) * 2016-03-31 2018-11-06 Steven M. Hoffberg Steerable rotating projectile
CN106444806A (zh) * 2016-09-27 2017-02-22 哈尔滨工程大学 基于生物速度调节的欠驱动auv三维轨迹跟踪控制方法
CN108519736A (zh) * 2018-03-29 2018-09-11 北京航天控制仪器研究所 一种usv轨迹跟踪反步滑模控制方法
CN108897217A (zh) * 2018-07-04 2018-11-27 西北工业大学 一种基于模型预测控制的欠驱动水面船轨迹跟踪控制方法
CN109116856A (zh) * 2018-09-28 2019-01-01 上海海事大学 一种基于扰动观测器的欠驱动船舶路径跟踪控制方法
CN110308735A (zh) * 2019-03-08 2019-10-08 哈尔滨工程大学 一种针对输入时滞的欠驱动uuv轨迹跟踪滑模控制方法
CN110377036A (zh) * 2019-07-09 2019-10-25 哈尔滨工程大学 一种基于指令约束的无人水面艇航迹跟踪固定时间控制方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A Trajectory Tracking Control Method for Underactuated Surface Ships;LIU Yang，等;《IEEE》;20121231;第1407-1410页 *
基于DSC和MLP的欠驱动船舶自适应滑模轨迹跟踪控制;沈智鹏，等;《系统工程与电子技术》;20180331;第643-651页 *
基于海流观测器对欠驱动水下机器人进行三维路径跟随;杨萤，等;《控制理论与应用》;20131231;第974-980页 *

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