[发明专利]一种基于模糊状态观测器的单喷泵推进无人水面艇自适应航向控制方法

说明书

本发明公开了一种基于模糊状态观测器的单喷泵推进无人水面艇自适应航向控制方法，属于无人水面艇运动控制技术领域；本发明包括：(1)获取无人水面艇运动状态信息；(2)获取无人水面艇的航向指令信息；(3)自适应跟踪无人水面艇内外环境干扰；(4)借鉴残差分析思想对环境干扰力进行预估；(5)消除时间滞后对干扰力作用判断的影响。本发明针对喷水推进方式的无人滑行艇设计的模型导向型航向控制方法存在实际应用困难的弱点及未考虑推进装置的实际工作特性的问题进行了改进，得到了一种面向工程应用的自适应单喷泵推进无人水面艇航向控制方法，对单喷泵机械安装误差和环境干扰等不利因素具有自适应特性。

技术领域

本发明涉及无人水面艇运动控制技术领域，具体涉及的是一种基于模糊状态观测器的单喷泵推进无人水面艇自适应航向控制方法。

背景技术

单喷泵推进的无人水面艇是一种利用单一喷水推进装置来实现高速航行的水面无人平台，具有自主决策规划航行能力，自主环境感知能力，自主危险规避能力，并可以自主方式或人工干预的方式完成海洋环境探测、水文信息采集、海洋环境监测等任务。

无人水面艇一般采用滑行艇艇型来实现低阻高航速，而喷泵这种喷水推进装置具有吃水浅、浅水效应小、传动机构简单、附件阻力小、保护性能好等优点。使无人水面艇具有良好的加速和制动性能，并且兼具卓越的高速机动性和较小的回转半径。通常情况下，使用单喷泵推进时，一般将其安装在无人水面艇纵舯剖线上，因此无人水面艇的自动航向控制性能容易受到安装工艺、机械传动等因素的影响。

发表在《智能系统学报》上的论文“单喷泵无人滑行艇航向的反步自适应滑模控制”针对单泵喷水推进型无人滑行艇航向跟踪的非线性系统控制问题，考虑建模误差和外界干扰力影响下的滑行艇运动响应模型，基于backstepping方法和滑模控制理论，提出了一种自适应滑模控制律。利用Lyapunov函数，证明该控制律保证了航向跟踪系统的全局渐近稳定性。上述航向控制方法是针对以喷水推进为推进方式的无人滑行艇设计的模型导向型控制方法，模型导向控制方法在无人滑行艇这种强非线性对象上尚存在实际应用困难的弱点，而且并未考虑推进装置的实际工作特性。本发明是设计一种面向工程应用的自适应单喷泵推进无人水面艇航向控制方法，对单喷泵机械安装误差和环境干扰等不利因素具有自适应特性。

发明内容

本发明目的是提供一种利用模糊状态观测器来评估单喷泵推进装置机械误差和环境干扰影响，并结合的比例控制和模糊控制优点的自适应无人水面艇航向控制方法。

一种基于模糊状态观测器的单喷泵推进无人水面艇自适应航向控制方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤一：程序启动，通过串口接收位置传感器、姿态传感器等运动传感器输出的数据信息；分别根据相应传感器的通讯协议，对接收到的数据串进行校验、解码，获得无人水面艇当前的位置坐标、速度、航向角、姿态角等运动状态信息；

步骤二：采用低阶多项式滑动拟合法来对上述运动状态信息进行判断和剔除野值；为避免野值逆传而误将正常值判断为野值，选择七点二阶前推差分算式：

令目标数据为

步骤三：数据平滑滤波处理，采用五点三次平滑公式，以最佳逼近曲线的右端点作为对位置的初步滤波值：

步骤四：获取无人水面艇的航向指令信息，根据控制系统的通讯协议得到期望的人机交互指令信息和规划系统指令信息；

步骤五：根据无人水面艇运动性能对航向指令进行规范化处理，消除指令越界和跳变带来的系统不稳定因素影响；