[发明专利]全局一致渐进路径跟踪引导控制方法

说明书

本发明公开了一种全局一致渐进路径跟踪引导控制方法，其特征在于，包括：读入当前船舶姿态、当前航路点和下一个航路点；判断是否达到下一个路航点；若是，则调用引导系统模块算法，更新航路点坐标和目标路径，计算实时期望航向角；若否，则调用引导系统模块算法，保持当前目标路径，计算实时期望航向角；调用控制系统模块算法，计算船舶相应的转艏力矩和纵向力。本发明的有益效果是：根据上面所提到的控制器方法和引导系统的两种方法的结合，这种串联的结合驱使船舶渐进地追踪期望的航向和估计外部扰动，并使得船舶保持的目标航线，实现高精度定位。

技术领域

本发明属于海洋工程水面船舶舰艇动力定位控制领域，具体涉及一种基于自适应变积分增益视野线法(ILOS)的全局一致渐进路径跟踪引导控制算法。

背景技术

随着海洋资源不断地被探索，人类在海洋中的活动也日益广泛活跃，目前我国政策也大力支持海上交通的发展，在这些背景下，对船舶控制模块的精度和性能要求越来越高。而在海洋工程中，船舶动力定位系统是船舶在海洋作业和海上交通运输的重要支持系统之一，动力定位系统包括控制系统，引导系统，导航系统和测量系统等系统。随着我们自主研发的北斗导航的广泛应用，利用导航系统建立引导系统已成为海洋工程领域的热门研究对象。本发明更加强调利用导航系统反馈的船舶位置和角度数据，根据提出的引导控制算法驱使船舶驶向目标航线和保持航行在目标航线上。

船舶或者其他低速水面交通工具在低速航行，特别是远洋航行的时候，需要船舶通过一系列预设的航路点，甚至是期望要求船舶能够追踪某特定的直线，以此来节省船舶的燃料成本、维护成本和人力成本。由于海洋环境扰动具有一定的变化缓慢的特性和船舶的自身性能具有一定的局限性，因此面对常值扰动(或者是慢变扰动)，研究一种平稳、实际可行的引导系统和控制系统是最基本要求也是最亟需解决的问题。

目前国内外已经有许多关于船舶路径追踪的研究和应用，该类研究成果主要是局部渐进的控制算法和引导系统中的传统LOS法或积分LOS法(简称ILOS)，尚未有将积分器增益自适应调节的引导算法和全局一直渐进稳定的控制器算法相结合起来得到全局渐进稳定的串联系统。现有的研究中，部分得到控制输入是船舶本身由于自身局限性而无法产生满足稳定性和渐进性所需的转艏力矩、纵向力等，那么结合船舶的自身条件和约束性，本发明从引导系统算法着手，通过自适应调节积分器增益，即可以使得船舶以尽可能短的时间和距离到达目标航向，又可以避免积分所可能引起的饱和效应。同时，本发明利用对船舶横向跟踪误差积分以使船舶即使在目标航线上稳定航行时船头航向仍与目标航线保持一定的角度，以此容许船舶产生一定的横向力以抵消使得船舶偏离航线的外部扰动的作用力。另外，本发明还利用了积分器反演法(integrator backstepping)设计控制器算法，从而控制器算法保留了船舶的非线性和大惯性等有用特性。

发明内容

本发明的主要目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种全局一致渐进路径跟踪引导控制方法。

本发明解决现有技术问题所采用的技术方案是：一种全局一致渐进路径跟踪引导控制方法，包括：

读入当前船舶姿态、当前航路点和下一个航路点；

判断是否达到下一个路航点；

若是，则调用引导系统模块算法，更新航路点坐标和目标路径，计算实时期望航向角；

若否，则调用引导系统模块算法，保持当前目标路径，计算实时期望航向角；

调用控制系统模块算法，计算船舶相应的转艏力矩和纵向力。

进一步地，所述计算实时期望航向角包括步骤：

(1)在引导系统中，对轨迹追踪横向误差进行积分并自适应改变积分增益；

(2)利用(1)实时在线计算船舶期望航向角度，同时对船舶进行侧滑角补偿：