[发明专利]一种船舶综合操控系统的滑模滤波器设计方法

权利要求书

1.一种船舶综合操控系统的滑模滤波器设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

建立综合操控船舶的水平面运动非线性数学模型；

根据综合操控船舶的水平面运动非线性数学模型构造滑模滤波器方程；

确定滑模滤波器方程的滑模面和切换函数；

通过对滤波器误差系统稳定性分析确定滑模面增益和滤波器系数矩阵。

2.根据权利要求1方法，其特征在于，所述建立综合操控船舶的水平面运动非线性数学模型具体包括：

a、根据船舶排水量、船舶在随船坐标系中的位置及水动力参数建立综合操控船舶的纵荡、横荡和艏摇三自由度低频运动模型:

其中，η＝[x,y,ψ]^T为地球固定坐标系下的低频位置和艏摇角度，ν＝[u,v,r]^T为随船坐标系下的低频速度和艏摇角速度；R(ψ)为坐标转换矩阵：

M∈R^3×3为船舶的惯性矩阵，满足正定要求M＝M^T＞0；D∈R^3×3为线性阻尼系数矩阵，D＞0；τ∈R³为控制力和力矩；E_vω_v用来表示不确定性和干扰，假定E_vw_v有界；b∈R³为风、浪、二阶波浪力等低频环境干扰；T＝diag{T₁,T₂,T₃}为时间常数对角阵，其中T_i＞＞0(i＝1,2,3)；ω_b∈R³为零均值高斯白噪声向量；E_b∈R^3×3为噪声振幅；

b、根据线性波浪响应模型来建立综合操控船舶的纵荡、横荡和艏摇三自由度的高频运动模型:

船舶的高频运动实际上是对一阶波浪的响应，可看作是在三个方向上附加了阻尼项的二阶谐波振荡器，且三个自由度上没有耦合，即：

式中，S是传递函数中的复变量，ω_0i(i＝1,…,3)为波浪谱的主导频率，为相对阻尼系数，取值范围为0.05～0.2，σ_i和波浪的有义波高相关，式(2)转换为状态空间形式，得到：

其中，x_h,y_h,ψ_h为船舶纵荡、横荡和艏摇方向上的高频位置和角度，为高频速度、角速度；ω_h∈R³为零均值高斯白噪声向量；E_h∈R^6×3为噪声振幅；η_h＝[x_h,y_h,ψ_h]^T，

C_h＝[I_3×3,0_3×3]

式中，Ω＝diag{ω₀₁,ω₀₂,ω₀₃}，

c、综合操控船舶的测量模型

y＝η+η_h (4)

其中，y为包含噪声的船舶测量位置和艏向。