CN111474939A - 一种全驱动船的跟踪控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全驱动船的跟踪控制方法，属于全驱动船的控制技术领域，包括如下步骤：1)通过建立直角坐标系获取全驱动船的动力学模型；2)对全驱动船设计虚拟控制器；3)设计有限时间动力学控制器，并求得全驱动船的浪涌速度、摆动速度及偏航角速度；4)控制浪涌速度、摆动速度及偏航角速度在有限时间内收敛到虚拟控制器。本发明的一种全驱动船的跟踪控制方法，具有基于有限时间的参数简化、物理含义明确的优点；且在实际运动过程中全驱动船的运动稳定性好，鲁棒性较高。

Description

一种全驱动船的跟踪控制方法
技术领域
本发明属于全驱动船的控制技术领域，具体涉及一种全驱动船的跟踪控制方法。
背景技术
传统的全驱动船的控制方法大多采用定义误差系统来达到渐近收敛的目的，时间效益较低。现有技术中存在的上述计算结构复杂、计算量大、对硬件设备要求高的缺点。
目前对于无人机姿态的控制算法大致有两种：(1)鲁棒控制方法，(2)自适应控制方法；但是这些算法计算结构复杂、计算量大、对硬件设备有较高的要求，导致成本的大幅度上升，从实际角度来说并不合适。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种全驱动船的跟踪控制方法，此方法以力和力矩作为直接输入，使全驱动船的系统抗干扰能力增强，并具有更好的稳定性，且能够在有限时间内完成追踪任务。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种全驱动船的跟踪控制方法，包括如下步骤：
1)通过建立直角坐标系获取全驱动船的动力学模型；
2)对全驱动船设计虚拟控制器；
3)设计有限时间动力学控制器，并求得全驱动船的浪涌速度、摆动速度及偏航角速度；
4)控制浪涌速度、摆动速度及偏航角速度在有限时间内收敛到虚拟控制器。
进一步地，步骤1)中，所述的全驱动船的动力学模型由公式(1)得到：
Figure BDA0002478056050000021
公式(1)中：[x,y]Τ∈R2表示全驱动船在平面中的位置坐标，
Figure BDA0002478056050000022
表示船的浪涌速度与X轴正方向的夹角，u表示船的浪涌速度，v表示船的摆动速度，w表示船的偏航角速度；m1,m2,m3表示包括质量效应在内的惯性，τu,τv,τw表示全驱动船的力或者力矩输入量，d1,d2,d3分别表示与浪涌、摆动及偏航有关的流体动力阻尼。
进一步地，根据所述的全驱动船的动力学模型进一步得到，船与被追踪的以[xt,yt]∈R2为位置坐标，ut为速度大小，
Figure BDA0002478056050000023
为运动方向的目标之间的运动学关系描述为：
Figure BDA0002478056050000024
公式(2)中r表示全驱动船与追踪目标之间的距离，θ表示全驱动船与追踪目标相对位置矢量与X轴正方向的夹角，α1,α2为新定义的变量。
进一步地，步骤2)对全驱动船，所述虚拟控制器由公式(3)得到：
Figure BDA0002478056050000025
公式(3)中κ＞0为控制参数；步骤2中的虚拟控制器一阶可导，被追踪目标运动学参数二阶可导。
进一步地，步骤3)对全驱动船设计有限时间动力学控制器[τu,τv,τw]，[τu,τv,τw]由公式(4)得到：
Figure BDA0002478056050000031
公式(4)中控制参数
Figure BDA0002478056050000032
εu,εv,εw∈(0,1)，[Δu,Δv,Δw]由公式(5)获得：
Figure BDA0002478056050000033
Figure BDA0002478056050000034
由公式(6)得到：
Figure BDA0002478056050000035
进一步地，步骤4)由公式(4)，全驱动船的浪涌速度u、摆动速度v及偏航角速度在有限时间内分别收敛到虚拟控制器
Figure BDA0002478056050000036
基于公式(3)，全驱动船的跟踪控制任务能在有限时间内实现。
有益效果：与现有技术相比，本发明的一种全驱动船的跟踪控制方法，具有基于有限时间的参数简化、物理含义明确的优点；且在实际运动过程中全驱动船的运动稳定性好，鲁棒性较高。
附图说明
图1为全驱动船的跟踪控制方法的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，一种全驱动船的跟踪控制方法，包括如下步骤：
1)通过建立直角坐标系获取全驱动船的动力学模型；
2)对全驱动船设计虚拟控制器；
3)设计有限时间动力学控制器，并求得全驱动船的浪涌速度、摆动速度及偏航角速度；
4)控制浪涌速度、摆动速度及偏航角速度在有限时间内收敛到虚拟控制器。
步骤1)利用建立直角坐标系来描述全驱动船的动力学模型；全驱动船的动力学模型可由公式(1)得到：
Figure BDA0002478056050000041
公式(1)中：[x,y]Τ∈R2表示全驱动船在平面中的位置坐标，
Figure BDA0002478056050000042
表示船的浪涌速度与X轴正方向的夹角，u表示船的浪涌速度，v表示船的摆动速度，w表示船的偏航角速度；m1,m2,m3表示包括质量效应在内的惯性，τu,τv,τw表示全驱动船的力或者力矩输入量，d1,d2,d3分别表示与浪涌、摆动及偏航有关的流体动力阻尼；所述船与被追踪的以[xt,yt]∈R2为位置坐标，ut为速度大小，
Figure BDA0002478056050000043
为运动方向的目标之间的运动学关系可描述为：
Figure BDA0002478056050000044
公式(2)中r表示全驱动船与追踪目标之间的距离，θ表示全驱动船与追踪目标相对位置矢量与X轴正方向的夹角，α1,α2为新定义的变量。
步骤2)对全驱动船，所述虚拟控制器由公式(3)得到：
Figure BDA0002478056050000045
公式(3)中κ＞0为控制参数；步骤2中的虚拟控制器一阶可导，被追踪目标运动学参数二阶可导。
步骤3)对全驱动船设计有限时间动力学控制器[τu,τv,τw]，[τu,τv,τw]由公式(4)得到：
Figure BDA0002478056050000051
公式(4)中控制参数
Figure BDA0002478056050000052
εu,εv,εw∈(0,1)，[Δu,Δv,Δw]由公式(5)获得：
Figure BDA0002478056050000053
Figure BDA0002478056050000054
由公式(6)得到：
Figure BDA0002478056050000055
步骤4)由动力学控制器(4)，全驱动船的浪涌速度u、摆动速度v及偏航角速度在有限时间内分别收敛到虚拟控制器
Figure BDA0002478056050000056
基于虚拟控制器(3)，全驱动船的跟踪控制任务能在有限时间内实现。
需要说明的是，以上说明仅是本发明的优选实施方式，应当理解，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明技术构思的前提下还可以做出若干改变和改进，这些都包括在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种全驱动船的跟踪控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)通过建立直角坐标系获取全驱动船的动力学模型；
2)对全驱动船设计虚拟控制器；
3)设计有限时间动力学控制器，并求得全驱动船的浪涌速度、摆动速度及偏航角速度；
4)控制浪涌速度、摆动速度及偏航角速度在有限时间内收敛到虚拟控制器。
2.根据权利要求1所述的一种全驱动船的跟踪控制方法，其特征在于：步骤1)中，所述的全驱动船的动力学模型由公式(1)得到：
Figure FDA0002478056040000011
公式(1)中：[x,y]Τ∈R2表示全驱动船在平面中的位置坐标，
Figure FDA0002478056040000012
表示船的浪涌速度与X轴正方向的夹角，u表示船的浪涌速度，v表示船的摆动速度，w表示船的偏航角速度；m1,m2,m3表示包括质量效应在内的惯性，τu,τv,τw表示全驱动船的力或者力矩输入量，d1,d2,d3分别表示与浪涌、摆动及偏航有关的流体动力阻尼。
3.根据权利要求2所述的一种全驱动船的跟踪控制方法，其特征在于：根据所述的全驱动船的动力学模型进一步得到，船与被追踪的以[xt,yt]∈R2为位置坐标，ut为速度大小，
Figure FDA0002478056040000013
为运动方向的目标之间的运动学关系描述为：
Figure FDA0002478056040000014
公式(2)中r表示全驱动船与追踪目标之间的距离，θ表示全驱动船与追踪目标相对位置矢量与X轴正方向的夹角，α1,α2为新定义的变量。
4.根据权利要求3所述的一种全驱动船的跟踪控制方法，其特征在于：步骤2)对全驱动船，所述虚拟控制器由公式(3)得到：
Figure FDA0002478056040000021
公式(3)中κ＞0为控制参数；步骤2中的虚拟控制器一阶可导，被追踪目标运动学参数二阶可导。
5.根据权利要求4所述的一种全驱动船的跟踪控制方法，其特征在于：步骤3)对全驱动船设计有限时间动力学控制器[τu,τv,τw]，[τu,τv,τw]由公式(4)得到：
Figure FDA0002478056040000022
公式(4)中控制参数
Figure FDA0002478056040000023
εu,εv,εw∈(0,1)，[Δu,Δv,Δw]由公式(5)获得：
Figure FDA0002478056040000024
Figure FDA0002478056040000025
由公式(6)得到：
Figure 3
6.根据权利要求5所述的一种全驱动船的跟踪控制方法，其特征在于：步骤4)由公式(4)，全驱动船的浪涌速度u、摆动速度v及偏航角速度在有限时间内分别收敛到虚拟控制器
Figure FDA0002478056040000027
基于公式(3)，全驱动船的跟踪控制任务在有限时间内实现。
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王茹: "欠驱动船舶轨迹跟踪的自适应滑模控制研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅱ辑》 *

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