[发明专利]一种基于纵向速度规划的气垫船高速回转控制方法

权利要求书

1.一种基于纵向速度规划的气垫船高速回转控制方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤1：基于气垫船运动模型设计二阶滑模观测器，实现对纵向和回转两个自由度的系统模型不确定性和干扰的估计；

气垫船纵向和回转运动模型为：

其中，m₀为气垫船标称质量，为纵向阻力和回转阻力矩的标称值，u为气垫船的纵速度，v为气垫船的横向速度，r为气垫船的回转角速度，τ_P为气垫船的纵向推进力，τ_R为气垫船的回转力矩，D_u为纵向的模型不确定性及外界干扰项，D_r为回转的模型不确定性及外界干扰项；

纵向和回转的模型不确定性及外界干扰项D_u、D_r通过如下的二阶滑模观测器进行估计：

其中，k_1u＞0，k_2u＞0，k_1r＞0，k_2r＞0为观测器增益。为速度估计误差，为回转估计误差；

步骤2：基于侧滑角约束进行纵向速度规划，并设计基于对数型SBLF方法的纵向航速控制律，保证气垫船高速回转过程中不失速；

步骤2.1：将侧滑角角约束β_max转化为纵向速度约束u_min

步骤2.2：纵向航速规划如下：

其中，k_u＞0，δ＞0，ε_umin＞0为设计参数，通过参数的合理设计，可以确保始终有u_d＞u_min；

步骤2.3：通过SBLF来设计纵向控制律；

定义航速误差为：

选取一阶滑模面为：

s_u＝ke_u

其中，k＞0为滑模面设计参数，则

选择李雅普诺夫函数为：

定义则上式可以写为：

易知，V在集合|ξ_u|＜1上是连续可微的，对上式求导可得：

其中，

设计航速控制律为：

其中，η₂＞0为趋近律系数；

步骤3：根据期望的艏向角和给定的最大回转率，设计基于IBLF方法的回转约束控制律，避免出现回转率过大导致的甩尾现象；

步骤3.1：采用反步法设计虚拟回转角速度α_r

航向-回转模型为：

回转控制目标为：

定义航向误差及导数、回转率误差为：

e_ψ＝ψ-ψ_d

e_r＝r-α_r

选择第一个障碍李雅普诺夫函数为：

对上式求导可得：

虚拟回转率设计为：

其中，c_ψ＞0为设计参数；

步骤3.2：基于IBLF设计回转控制力矩τ_r

构建第二个障碍李雅普诺夫函数为：

对上式求导可得：

其中，

设计航向控制律为：

其中，c_r0，η₁＞0为设计参数。