[发明专利]一种欠驱动船舶的在线建模与自适应控制方法

权利要求书

1.一种欠驱动船舶的在线建模与自适应控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将多组船舶艏摇角速度关于舵角的时间序列作为训练数据，使用支持向量机系统辨识方法对船舶操纵运动的转艏动力学过程进行黑箱建模，获得船舶转艏动力学黑箱模型；

所述步骤1包括以下步骤：

步骤1.1：收集目标船的样本数据，采用一阶低通滤波器对收集到的样本数据进行滤波处理，过滤掉频率大于截止频率的高频成分；

步骤1.2：根据一阶非线性转艏动力学模型，确定用于训练的样本结构，然后，从过滤后的样本数据中得到l个训练样本，构成训练样本集，l个训练样本表示为：

(x₁，y₁)，(x₂，y₂)，...，(x_i，y_i)，i＝1，2，...，l，x_i×y_i∈Rⁿ×Rⁿ

步骤1.3：使用最小二乘支持向量机来拟合船舶转艏动力学模型，获得船舶转艏动力学黑箱模型

式中，变量r为艏摇角速度，为舵角；Φ(·)为映射函数；b为偏置；

步骤2：设计欠驱动船舶轨迹跟踪自适应控制的导航律；

步骤3：使用由步骤1所求得的船舶转艏动力学黑箱模型对船舶操纵运动过程中的艏摇角速度进行预测，用于航向控制律的设计；

步骤3中，进行航向控制律的设计时：

设计得到的等效控制律δ_eq表示为：

设计得到的转换控制律δ_sw表示为：

式中，U为船舶合速度；k₂,k₃,k₆为控制器参数，其值均为正数；c为设计常数，y_e为船舶当前的横向偏差，Δ为前视距离，S表示滑模面；

则航向控制律δ表示为：δ＝δ_eq+δ_sw；

步骤4：设计欠驱动船舶的纵向速度控制律，将船舶的纵向运动解耦出来，考虑非线性阻尼，忽略向心力和科氏力，得到纵向运动方程，然后可采用反馈线性化控制方法对纵向速度进行控制；

步骤4中，纵向运动方程表示为：

式中，t_T为螺旋桨推力减额因子；T_P为螺旋桨推力，ρ为水密度，n为主机转数，D_P为螺旋桨直径，K_T可表示为进速系数J的多项式形式，为螺旋桨敞水推力系数；m为船舶质量；u为船舶纵向速度；为船舶纵向方向的附加质量；X_|u|u为水动力导数；

所述纵向速度控制律使用PI控制，控制律如下式所示：

式中，为速度跟踪误差，u_d为期望纵向速度；K_pu和K_iu分别为比例系数和积分系数，均大于0；τ为时间积分变量。

2.如权利要求1所述的一种欠驱动船舶的在线建模与自适应控制方法，其特征在于，步骤1.2中所述样本结构为：输入为变量目标为

3.如权利要求1所述的一种欠驱动船舶的在线建模与自适应控制方法，其特征在于，所述步骤2包括以下步骤：

步骤2.1：计算视线角度；

步骤2.2：在由步骤2.1求取的视线角度中加入积分作用，以抵抗环境干扰的影响，使船舶精确地在预定路径上航行。

4.如权利要求3所述的一种欠驱动船舶的在线建模与自适应控制方法，其特征在于，所述步骤2.1中，使用LOS制导方法计算得到视线角度ψ_d

式中，γ_p为船舶与正北方向的夹角，y_e为船舶当前的横向偏差，Δ为前视距离。

5.如权利要求4所述的一种欠驱动船舶的在线建模与自适应控制方法，其特征在于，所述步骤2.2中，所述加入积分作用的方式为：在所述视线角度ψ_d的计算公式中增加一个积分项，则所述视线角度ψ_d的计算公式变化为：

式中，y_int为引入的积分项；σ0，是一个设计参数。