[发明专利]一种基于蜻蜓算法优化的水面船轨迹跟踪全局鲁棒滑模控制方法

说明书

本发明属于船舶领域，公开了一种基于蜻蜓算法优化的水面船轨迹跟踪全局鲁棒滑模控制方法，包含如下步骤：步骤(1)：建立船舶三自由度运动模型获取船舶的位置及艏向；步骤(2)：利用非线性估计滤波器滤去波浪力中的一阶高频干扰力及测量噪声；步骤(3)：设计基于全局鲁棒的轨迹跟踪滑模控制器；步骤(4)：根据实际情况设计巴特沃斯低通滤波器；步骤(5)：引入蜻蜓优化算法对轨迹跟踪滑模控制器中重要参数寻优；步骤(6)：将轨迹跟踪滑模控制器、巴特沃斯低通滤波器及非线性估计滤波器与水面船构成闭环系统，输入期望轨迹。本发明保证了航迹跟踪误差的渐进收敛，解决了常规滑模控制趋近段的不鲁棒性，实现了全局快速稳定。

技术领域

本发明属于船舶领域，尤其涉及一种基于蜻蜓算法优化的水面船轨迹跟踪全局鲁棒滑模控制方法。

背景技术

船舶轨迹跟踪属于广义上的船舶动力定位，具体来说，是船舶在规定的时间内通过轨迹跟踪系统的控制到达原本设定的位置上。具有高性能的轨迹跟踪能力的控制器是水面船舶所需要的。设计水面船舶的控制器是富有挑战性的，动力学模型的不确定性、强大的海洋扰动、模型的欠驱动性、运动学上的不完全约束，这些是设计者在设计水面船舶轨迹跟踪控制器时必须要处理的问题。目前国际上对该问题从理论到试验方面都做了大量的研究，在理论分析、数值计算及实验验证等方面取得较为丰硕的成果。

在海洋研究领域中，由于海洋工程的广泛开展和应用，已经有相当多的水面舰船的轨迹跟踪控制研究进行，如管道铺设，目标跟踪，编队巡逻等等，但稳定和高精度轨迹跟踪控制研究充满困难和挑战，原因是其运动学和动力学模型的强烈非线性和高度耦合，且存在参数不确定性和外部干扰很难测量或估计的情况。总体而言，因为轨迹跟踪控制问题的本质是能够迫使水面船到达并跟随时变参数化的轨迹，并且有着控制精度更高、具有实时性等优点，已比路径规划问题有更高的关注度。

全驱动船舶的轨迹跟踪：鉴于船舶运动方程的非线性，一些学者利用反步法和李雅普诺夫理论解决DP问题。挪威的Husa等研究非线性路径点跟踪，设定的轨迹是既有直线也有圆弧线，基于反步法设计一种平稳的非线性控制律，避免了直线和圆弧的转折问题，通过积分计算来补偿船舶所受到的低频风流和一阶波浪力。欠驱动船舶的轨迹跟踪：轨迹跟踪研究早期，Walsh对非完整性系统进行了研究，在期望轨迹周围将非线性系统简化成一个随时间步长时变的线性化系统，随后用一个线性控制律就可以稳定控制，得出的结果跟期望轨迹非常接近。然而一些学者指出运用线性化、线性控制理论或者典型的非线性如前馈线性化是用来解决状态稳定问题。Reyhanogh指出一个不连续的前馈控制律有可能在确定的假设原始值下为期望平衡点提供指数收敛。

全局鲁棒滑模控制为具有全程滑动模态的变结构控制器,在该控制器的作用下,可消除滑模控制的到达运动阶段,使系统在响应的全过程都具有鲁棒性,克服了传统变结构控制中到达模态不具有鲁棒性的特点。全局滑模控制是通过设计一种非线性全局滑模面方程来实现的,在保证滑模控制稳定性的基础上,消除滑模控制中的趋近过程，但同时面临滑模参数整定复杂及存在高频抖振的问题。

发明内容

本发明的目的在于公开鲁棒性好、收敛速度快的一种基于蜻蜓算法优化的水面船轨迹跟踪全局鲁棒滑模控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于蜻蜓算法优化的水面船轨迹跟踪全局鲁棒滑模控制方法，包含如下步骤：

步骤(1)：建立船舶三自由度运动模型，通过测量系统获取船舶的位置及艏向；

步骤(2)：利用非线性估计滤波器滤去波浪力中的一阶高频干扰力及测量噪声，将得到的真实船舶位置和真实船舶艏向信息传递给轨迹跟踪滑模控制器；

步骤(3)：设计基于全局鲁棒的轨迹跟踪滑模控制器，保证轨迹误差收敛为0：

步骤(3.1)：定义轨迹跟踪误差：η_e＝η-η_d；