[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

说明书

本发明涉及气垫船运动控制领域，具体涉及的是一种基于纵向速度规划的气垫船高速回转控制方法。本发明采用基于侧滑角约束的航速规划方法解决了气垫船采用传统非线性反馈控制在高速回转时的失速问题，能够保证气垫船在回转的同时实现精确的航速跟踪，提高了气垫船的机动性和作业能力，本发明在保证气垫船在高速回转过程中准确跟踪期望艏向的同时避免回转率过大导致的甩尾现象，提高了气垫船在高速回转时的可靠性和安全性。

技术领域

本发明涉及气垫船运动控制领域，具体涉及的是一种基于纵向速度规划的气垫船高速回转控制方法。

背景技术

气垫船作为一种特种船舶，航行过程由于船体与水面不直接接触因而所受阻力小，形成其航速快、机动性高的性能优势，在军事抢滩登陆、民用抢险救灾等方面具有广阔的应用前景。然而，由于气垫船结构复杂(包含刚性船体与柔性围裙)、高速航行过程存在比较大的环境干扰，导致模型存在较大的非线性和耦合，同时大部分气垫船没有横向执行机构属于典型的欠驱动船(即不能产生横向控制力)，这对气垫船高速下的安全控制造成较大挑战。

气垫船的高速回转控制主要存在以下几个难点：1)由于气垫船存在多个阻力峰，无法完全通过纵向通道的反馈控制实现回转过程中的航速保持；2)欠驱动特性使得气垫船无法直接通过控制横向速度实现对侧滑角的约束；3)传统的基于辅助系统的控制方法不能将回转率严格限制在指定范围内。

由于以上的控制难点，目前的气垫船为了保证安全性都将高速航行下的回转运动限制在保守的范围内，大大制约了气垫船本身的性能和应用场景。因此，研究气垫船高速航行下的回转控制对于提高国产气垫船的运动控制性能和可靠性具有十分重要的工程实用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供实现气垫船在恒定期望速度下的安全回转的一种基于纵向速度规划的气垫船高速回转控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于纵向速度规划的气垫船高速回转控制方法，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；D_u，D_r为包含模型参数不确定性和随机风干扰影响的动力学不确定性。

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：

纵向： 回转：

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。