[发明专利]基于漂角补偿和改进超螺旋算法的船舶航向控制方法

权利要求书

1.一种基于漂角补偿和改进超螺旋算法的船舶航向控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、对三自由度水面欠驱动船舶运动模型进行简化；

S2、对获取到的船舶期望航向ψ_r进行预滤波；

S3、获取实船当前时刻的实际方位角信息ψ_h；

S4、根据计算的漂角估计值对参考航向和航向误差进行修正；

S5、根据基于改进超螺旋趋近律的滑模控制规律，控制主机和操舵驱动实船达到期望航向；

S6、更新实船的方位角测量信息，并判断航向跟踪误差是否为0，如果“是”则结束跟踪，如果“否”则更新实船当前时刻的实际方位角信息ψ_h进入步骤S3；

其中，所述步骤S5还包括如下子步骤：

S501、引入辅助动态系统处理船舶艏摇力矩饱和，辅助动态系统形式具体如下：

c₁、c₂均为正常数，正值常数m_jj,1≤j≤3表示包括附加质量的船舶惯性系数，λ₁、λ₂为补偿系统的状态变量，即由△u产生的跟踪误差，△u＝u_r-τ_r，其中，

τ_r为实际艏摇力矩，τ_min、τ_max为艏摇控制力矩的最小值和最大值。

定义跟踪误差为：

S502、选择滑模面，所述滑模面具体表达式为：

其中，r₁、k与Θ为正常数且k＞0,0r₁1，其中

采用的改进超螺旋算法设计趋近律为：

其中，k₁、k₂、k₃为大于0的设计常数，所述改进超螺旋算法趋近律通过在的动态方程中增加一个关于u₁的线性项，调节了高阶项的动态响应。

S503、计算艏摇控制力矩指令信号τ_r；由于假设橫荡运动姿态v是被动有界的，因此控制规律的设计不需要考虑横荡运动姿态v。艏摇控制力矩指令信号τ_r的计算公式的具体表达为：

为欠驱动船舶模型中不确定项和外部扰动的整体估计，为模型中的艏摇角速度组成非线性项估计；k、k₁、k₂、k₃为设计常数。ψ_da表示基于漂角修正后的期望航向，λ₁为引入的辅助动态系统的状态变量；

2.如权利要求1所述的基于漂角补偿和改进超螺旋算法的船舶航向控制方法，其特征在于，所述步骤S2中采用的预滤波器具体表达式为：

其中λ_i(i＝1,2,3)为预滤波器参数，ψ_d为实现滤波后参考航向。

3.如权利要求1所述的基于漂角补偿和改进超螺旋算法的船舶航向控制方法，其特征在于，所述步骤S4中采用的漂角公式为：

其中，为船舶的纵荡速度与横荡速度估计值。

4.如权利要求1所述的基于漂角补偿和改进超螺旋算法的船舶航向控制方法，其特征在于，所述步骤S4中采用有限时间扩张状态观测器对漂角和总扰动进行估计，其表达式为：

其中，η＝[u,v,r]^T，为系统扩张的状态向量，其包含了未知外界干扰和内部未建模动态项；观测器估计误差为其中，且α₂＝2α₁-1；m_i＞0,n_i＞0(i＝1,2)为正常数，α₁,α₂,m_i,n_i为调节系数。