[发明专利]一种基于二阶波浪漂移力的无人船路径跟踪方法

权利要求书

1.一种基于二阶波浪漂移力的无人船路径跟踪方法，其特征在于，包括：

S1、基于二阶波浪力扰动，构建带有随机噪声的无人船运动模型；

S2、基于所述带有随机噪声的无人船运动模型，通过反步法设计无人船路径跟踪控制器，并基于所述无人船路径跟踪控制器对无人船进行路径跟踪，其中通过反步法设计无人船路径跟踪控制器包括：定义变量误差，根据李亚普诺夫函数证明系统的稳定性，同时设计虚拟控制信号。

2.根据权利要求1所述的基于二阶波浪漂移力的无人船路径跟踪方法，其特征在于，基于二阶波浪力扰动，构建带有随机噪声的无人船运动模型，包括：

S101、构建转换矩阵将船舶惯性矩阵和船舶固定坐标系进行转换，

其中为无人船航向角；

S102、构建船舶位置与速度之间的关系模型：

其中，表示船舶位置，X为船舶空间位置横坐标，Y为船舶空间位置纵坐标，为航向角，v＝[u,v,r]^T表示船舶三自由度运动速度，u为纵荡速度，v为横荡速度，r为艏摇速度，表示船舶惯性矩阵和船舶固定坐标系两个坐标系之间的转换矩阵，M表示惯性动力学参数矩阵(由水动力学附加惯性和船舶重量惯性组成)，D是阻尼矩阵，(为了便于仿真，最后用常数代替)，τ表示设计控制力，τ_wave表示随机的海浪干扰力进程。

3.根据权利要求1或2所述的基于二阶波浪漂移力的无人船路径跟踪方法，其特征在于，基于二阶波浪力扰动，构建带有随机噪声的无人船运动模型，还包括考虑无人船路径跟踪系统中的二阶波浪，建立二阶波浪力干扰模型，具体包括：

S201、将波浪对船舶的扰动分解为一阶波浪力和二阶波浪力，其中一阶波浪力为高频力，船舶针对所述一阶波浪力的响应表现为六自由度的高频振荡，所述二阶波浪力为低频力，船舶针对所述二阶波浪力的响应表现为船舶的水平位置和航向；

S202、基于所述一阶波浪力和二阶波浪力获取海浪的外界载荷：

其中，X为模拟横摇方向外载荷，Y为模拟纵摇方向外载荷，N为模拟艏摇方向外载荷；ρ为海水密度，l是无人船的长度，χ是无人船与海浪之间的遭遇角度，S(ω)是有色噪声谱密度函数，ω是有色噪声谱密度函数频率，分别为实验系数，其中：

S203、将模拟的有色噪声频谱密度与标准P-M谱进行拟合，则获取有色噪声频谱密度为：

其中α，β，γ是常数；

S204、基于获取的有色噪声频谱密度求取随机的二级干扰力进程。

4.根据权利要求3所述的基于二阶波浪漂移力的无人船路径跟踪方法，其特征在于，通过反步法设计无人船路径跟踪控制器，包括：

设计无人船路径跟踪控制器的误差变量：

e₁＝η-η_d

e₂＝-α

其中，表示船舶位置，η_d为参考信号，v＝[u,v,r]^T表示船舶三自由度运动速度,α∈R³是待设计的虚拟控制函数，从而获取无人船路径跟踪控制器的控制力为：

其中，d为常数，K₂为对角矩阵。