[发明专利]一种船舶综合操控系统的滑模滤波器设计方法

说明书

本发明公开了一种船舶综合操控系统的滑模滤波器设计方法。该方法包括：建立综合操控船舶的水平面运动非线性数学模型；根据综合操控船舶水平面运动非线性数学模型构造滑模滤波器方程；确定滤波器方程的滑模面和切换函数形式；对滤波器误差系统进行稳定性分析进而确定滑模面增益和滤波器增益矩阵的值。本发明基于滑模变结构控制原理，能够减少滤波器对精确数学模型的依赖，对系统参数慑动和外部扰动具有良好的鲁棒性，并能有效减弱滑模滤波器固有的的抖振。

技术领域

本发明涉及船舶综合操控系统领域，具体涉及一种对系统模型不确定性具有鲁棒性的船舶综合操控系统滑模滤波器设计方法。

背景技术

船舶综合操控系统能抵抗来自风、浪、流等环境干扰的影响，使船舶按预定的航迹航行或保持在定位点。环境干扰对船舶的影响可分为由风、流和二阶波浪所导致的低频运动，以及由一阶波浪干扰所导致的高频运动。其中高频运动仅表现为周期性小幅摆动，不会造成船体大范围偏离平衡位置，为避免不必要的能量浪费和推力器的机械磨损，综合操控系统只需针对低频运动进行补偿和控制。由于传感器系统测量出的是附有噪声的高低频叠加的船舶位置和艏向信息，这就需要利用滤波器滤除噪声和高频信息，对船舶低频运动状态进行估计。因此，滤波器的滤波性能对综合操控系统的定位精度有直接影响。

目前应用广泛的卡尔曼滤波器需要将非线性船舶运动方程进行线性化处理，且对船舶运动的数学模型要求较高，当模型参数出现摄动时，实际滤波效果无法保证。由于海况的不断变化、船速、水深、长期磨损等原因以致船舶综合操控系统模型具有不确定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对系统模型不确定性具有鲁棒性的船舶综合操控系统滑模滤波器设计方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种船舶综合操控系统的滑模滤波器设计方法，具体包括如下步骤：

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。

进一步地，所述建立综合操控船舶的水平面运动非线性数学模型，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(包含附加质量)，满足正定要求M＝M^T＞0；D∈R³×³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)，真实海洋环境是时刻变化的,但变化速度相对于船舶运动来说十分缓慢,所以引入大时间常数矩阵T是合理的；ω_b∈R³为零均值高斯白噪声向量；E_b∈R^3×3为噪声振幅。