[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

说明书

本发明涉及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，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进行预滤波；S3、获取实船当前时刻的实际方位角信息；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，并判断航向是否跟踪目标。所述步骤S5还包括：S501、引入辅助动态系统处理船舶艏摇力矩饱和；S502、选择滑模面；S503、计算艏摇控制力矩指令信号。本发明既有效减小了转弯处的航向误差，还提高了欠驱动船舶航向跟踪控制的鲁棒性。

技术领域

本发明属于船舶航向控制领域，特别涉及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。

背景技术

随着全球海洋事业的开拓与发展，船舶运动控制领域越来越受到关注，其中，航向跟踪是从始至终必不可忽略的重要性能。除了海面环境扰动的影响，船舶操纵模型本身具有的复杂性和不确定性给船舶航向控制带来了巨大挑战。目前，很多控制方法已在船舶控制中得到广泛应用，但欠驱动水面船舶路径跟踪控制中复杂漂角的问题尚未被解决。为了补偿漂角，最直接的方法是使用GPS、加速度计和其他传感器等仪器进行测量，目前也有学者使用船舶相对速度对漂角进行计算，但实际中，船舶的纵荡与横荡速度属于未测状态，且传感器的噪声和高成本使得这种方法不可行。

滑模控制以其能够克服系统的不确定性，对干扰和未建模动态具有很强的鲁棒性等优点，在船舶控制领域得到广泛应用，但滑模控制存在的不可避免的抖振问题将对船舶控制系统的执行机构造成威胁。除此以外，当船舶航向偏转较大时，执行器输入达到一定的极限，就会进入饱和状态，降低船舶航向控制的性能。因此，探讨鲁棒性强的控制算法对船舶航向控制具有实际意义。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的不足，本发明的目的为提高水面欠驱动船舶航向跟踪性能，减小航向误差，提供了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，不仅有效减小转弯处的航向误差，还有效抑制了滑模抖振和解决了控制力矩输入饱和的问题。

为实现上述目的，本发明提供的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，至少包括如下步骤：

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Δu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。