[发明专利]基于模糊观测器的鲁棒自适应无人船路径跟踪控制方法

说明书

本发明公开了一种基于模糊未知观测器的鲁棒自适应欠驱动水面船路径跟踪控制方法，包括以下步骤：建立无人船运动学和动力学模型；构建路径跟踪误差动态；提出速度可变的视线制导律；建立模糊逻辑系统；基于模糊未知观测器的控制器设计。本发明在制导子系统中，提出了一种速度可变的视线制导律，提高了制导系统的操纵灵活性和鲁棒性，使位置误差渐近稳定到零；在控制子系统中，通过设计模糊未知干扰观测器对未知干扰进行快速精确的估计，在设计的速度和航向控制器中进行有效补偿，使制导信号与实际量之间的追踪误差渐近稳定回到零，所涉及的算法框架可使整个闭环系统具有全局渐近稳定特性，极大地提高了路径跟踪控制系统的操纵灵活性和跟踪精度。

技术领域

本发明属于无人船领域，尤其涉及一种无人船精确路径跟踪控制方法。

背景技术

由于在海上民用和军事上的灵活性和多功能性，欠驱动水面船的应用变得越来越普遍。欠驱动水面船的运动控制一直都是研究热点，通常被分为镇定问题、轨迹追踪和路径跟踪。路径跟踪控制是欠驱动水面船在自主执行各种高风险海事任务过程中一项基础且关键的功能。通常路径跟踪控制系统可分为制导子系统和控制子系统。在制导子系统设计中，主要是采用视线制导方法，比例视线制导最先被提出，通过横向误差与一个设定参数的反正切值计算期望舵角。积分视线制导在比例视线制导的基础上，通过一个积分项补偿侧滑角的影响。自适应视线制导，通过自适应方法估计未知的侧滑角。还有给予各种观测器的视线制导律，利用观测器观测未知的侧滑角。在控制系统的设计中，反步控制、滑模控制、利亚诺夫直接法等被广泛采用于船舶运动控制中，但是这些控制方法都依靠精确的数学模型参数且没有考虑参数摄动对系统稳定性的影响。

在已有的制导方法中，无人船的速度通常预定义为常量。在这种情况下，无人船实际上仅由方向舵控制，从而不仅降低了总体操纵性与灵活性，而且增加了方向舵的操纵负担。在控制子系统中，快速精确的扰动估计和补偿没有实现，极大地降低了路径跟踪控制系统的精度。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种能提高路径跟踪控制系统的精度的基于模糊未知观测器的鲁棒自适应欠驱动水面船路径跟踪控制方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

基于模糊未知观测器的鲁棒自适应欠驱动水面船路径跟踪控制方法，利用路径跟踪控制系统进行跟踪控制，所述的路径跟踪控制系统包括制导子系统和控制子系统。所述的制导子系统是一个决策系统，结合无人船与参考路径之间的误差产生速度和航向的参考指令，以此参考指令动作，跟踪误差将渐近收敛到零；所述的控制子系统是一个执行系统，使无人船实际姿态和参考指令达到一致。

所述的路径跟踪控制方法，包括以下步骤：

A、建立无人船运动学和动力学模型

无人船运动学模型如下：

x代表惯性坐标系下无人船的横坐标，y代表惯性坐标系下无人船的纵坐标，ψ代表惯性坐标系下无人船的航向，u代表浮体坐标系下无人船的前向速度、v代表浮体坐标系下无人船的横向速度，r代表浮体坐标系下无人船的航向角速度，其中是x的导数，是y的导数，是ψ的导数。

无人船动力学模型如下：