[发明专利]一种基于指令约束的无人水面艇航迹跟踪固定时间控制方法

说明书

本发明属于船舶领域，公开了一种基于指令约束的无人水面艇航迹跟踪固定时间控制方法，包含如下步骤：步骤(1)：采集当前无人水面艇的实际位置信息和实际艏向信息；步骤(2)：将无人水面艇期望的位置信息与实际位置信息做差得到无人水面艇的位置误差信息，将无人水面艇期望的艏向信息与实际艏向信息做差得到无人水面艇的艏向误差信息，然后设计虚拟控制律；步骤(3)：利用二阶指令滤波器对虚拟控制律进行约束；步骤(4)：针对外界海洋环境的干扰力进行干扰观测器的设计；步骤(5)：设计固定时间反步控制器，解算得到喷水推进器的推力及转矩信息实现无人水面艇的航迹跟踪控制。本发明保证了控制系统鲁棒性，抗未知时变干扰能力强。

技术领域

本发明属于船舶领域，尤其涉及一种基于指令约束的无人水面艇航迹跟踪固定时间控制方法。

背景技术

无人水面艇，简称USV，是一种无人操作的水面舰艇。主要用于执行危险以及不适于有人船只执行的任务。一旦配备先进的控制系统、传感器系统、通信系统和武器系统后，可以执行多种战争和非战争军事任务，比如，侦察、搜索、探测和排雷；搜救、导航和水文地理勘察；反潜作战、反特种作战以及巡逻、打击海盗、反恐攻击等。在无人水面艇研发和使用领域，美国和以色列一直处于领先地位。目前各国都竞相研制无人艇，国内比较知名的单位包括海兰信、哈尔滨工程大学、中船重工701所、中船重工707所、中科院沈阳自动化所、北京方位智能系统技术有限公司等，无人艇家族正在日益壮大。

无人水面艇智能控制的研究作为海洋战略发展中的核心内容之一，也得到了越来越多科研工作者的青睐，无人水面艇的导航、编队控制以及航迹跟踪等问题的研究随着计算机以及人工智能技术的发展均取得了重大突破。

由于无人水面艇体积较小，质量轻，以及高速航行等特点，无人水面艇经常会受到海洋环境中风、浪、流的显著影响，因此在复杂恶劣的海洋环境下避免艏向角及位置等误差量对于无人水面艇安全控制过程的影响，如无人水面艇转弯的时候，由于侧滑角或者回转率超出安全边界导致无人水面艇侧翻的情况。

申请号为201610987001.9的专利公开了基于增强学习型智能算法的无人艇航迹跟踪控制方法，用位置参考系统测得无人艇的位置信息、用姿态参考系统测得无人艇的艏向姿态信息；对获取的位置信息及姿态信息进行滤波及融合，得到无人艇的实际位置及姿态；将期望的位置及姿态与实际的位置及姿态做比较，并经过解算得到误差信号；利用Backstepping法不断反演，最终得到无人艇航迹跟踪控制系统的控制律。近似策略迭代增强学习的航迹跟踪学习控制，在不依赖于环境模型的基础上实现了Backstepping控制器的学习优化，相较于传统的航迹跟踪控制器其算法更加智能，跟踪控制响应更加迅速，跟踪效果更加平滑，跟踪误差小。但是该方法没有针对海洋未知时变干扰做出相应的优化，控制系统鲁棒性不好，可靠性差。

发明内容

本发明的目的在于公开静态干扰误差小、控制系统鲁棒性好的一种基于指令约束的无人水面艇航迹跟踪固定时间控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于指令约束的无人水面艇航迹跟踪固定时间控制方法，包含如下步骤：

步骤(1)：通过无人水面艇上安装的传感器，采集当前无人水面艇的实际位置信息和实际艏向信息，并进行实时传输；

步骤(2)：将无人水面艇期望的位置信息与实际位置信息做差得到无人水面艇的位置误差信息，将无人水面艇期望的艏向信息与实际艏向信息做差得到无人水面艇的艏向误差信息，然后设计虚拟控制律；

步骤(3)：利用二阶指令滤波器对虚拟控制律进行约束，将二阶指令滤波器滤波后的虚拟控制律发送给系统控制器，使滤波后的虚拟控制律成为中间变量；

步骤(4)：针对外界海洋环境的干扰力进行干扰观测器的设计，对于无法避免的风、浪、流环境干扰进行干扰补偿，加入辅助积分环节，提高对干扰的抑制：