[发明专利]一种无人艇的串级结构无模型自适应制导方法

说明书

一种无人艇的串级结构无模型自适应制导方法，属于无人艇制导领域。所述无人艇安装有舵机、航向传感器，GPS和主控计算机。首先利用S面控制算法解算理想环境下无人艇的期望偏移变化率，然后通过建立动态线性模型拟合非线性制导系统，利用在线的、离散的无人艇的航行信息数据逼近真实海况中无人艇期望航行方向关于期望偏移变化率的伪偏导数。通过S面控制算法与无模型自适应算法的串联结构制导方法，解决了无模型自适应算法不适应于无人艇航向制导的问题，实现非线性系统数据驱动的无模型自适应无人艇制导。利用无模型自适应无人艇制导方法，避免了无人艇在真实海况下由于环境干扰变化带来的模型摄动等问题导致路径跟随效果差的现象。

技术领域

本发明属于无人艇制导领域，具体涉及一种无人艇的串级结构无模型自适应制导方法。

背景技术

无人艇由于体积较小，运行于空气-水面双重介质中，在航行过程中容易受到海浪、海流、气流等多种因素影响，并且这些干扰具有高度的不确定性与时变性。多种环境干扰下会造成无人艇产生较大的模型摄动，建立精确的无人艇运动数学模型非常困难。传统的制导方法在同时面临环境干扰与模型产生摄动时效果变差。研究复杂海洋环境下欠驱动无人艇的制导方法，对实现无人艇长期、安全、可靠、自主航行具有重要意义。

无模型自适应控制方法通过在每个控制节拍建立非线性系统等价的动态线性数据模型，利用受控系统的I/O数据在线估计系统的伪偏导数，然后利用加权一步向前的控制器，即可实现非线性系统数据驱动的无模型自适应控制。面对环境干扰和模型摄动时，无模型自适应控制方法表现良好。然而无模型自适应控制方法只适用于一类满足特定条件的控制系统，在无人艇的制导控制，由于期望航向与偏移距离之间不满足单调性关系，无模型自适应控制法不能直接应用于这种控制系统。

哈尔滨工程大学姜权权等人提出的《一种高抗扰自适应路径跟随方法及系统》，公开号为CN108415423A，根据水中航行装备的实时位置，以及改进的视线法解算出舰船的期望艏向角，同时结合CFDL-MFAC即compact form dynamic linearization model freeadaptive control艏向控制算法，可使舰船快速的缩小跟踪误差，收敛到期望路径。此方法中采用改进视线法作为制导律，与本发明中的串级结构无模型自适应制导方法有本质不同。

大连海事大学范云生等人针对无人艇实际航行时存在时变漂角的情况下，将LOS制导算法和模糊自适应PID控制方法相结合，提出一种考虑时变漂角的无人艇路径跟踪控制方法，此方法中的制导律并不针对制导过程中的无人艇模型摄动问题，这与本发明中的串级结构无模型自适应制导方法有本质不同。

发明内容

本发明的目的在于提供无人艇的串级结构无模型自适应制导方法。首先利用S面控制算法解算理想环境下无人艇的期望偏移变化率，然后通过建立动态线性模型拟合非线性制导系统，利用在线的、离散的无人艇的航行信息数据逼近真实海况中无人艇期望航行方向关于期望偏移变化率的伪偏导数。通过S面控制算法与无模型自适应算法的串联结构制导方法，解决了无模型自适应算法不适应于无人艇航向制导的问题，即这类控制响应不满足单调性条件，实现非线性系统数据驱动的无模型自适应无人艇制导。利用无模型自适应无人艇制导方法，避免了无人艇在真实海况下由于环境干扰变化带来的模型摄动等问题导致路径跟随效果差的现象。

本发明的目的是这样实现的：

一种无人艇的串级结构无模型自适应制导方法，包括以下步骤：

(1)检查无人艇目标航迹点是否更新，如果目标航迹点更新，则将第一个控制节拍的垂向偏移距离变化率和期望垂向偏移距离变化率归零；

(2)将无人艇当前位置(x_t,y_t)与期望路径间的垂向偏移距离Z_e以及垂向偏移距离Z_e的变化率输入S面控制子系统，得到理想环境条件下当前时刻无人艇的期望垂向偏移距离变化率