[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

说明书

本发明提供一种基于二阶波浪漂移力的无人船路径跟踪方法，包括：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；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。本发明将海浪作为一个随机过程，将海浪对无人船的干扰力也可以看作是一个稳定的随机过程。考虑到跟踪误差，采用有色噪声来刻画海浪干扰。另外，本发明在更广泛的约束条件下，用后推法进行控制器设计，大大提高了无人船的控制精度。

技术领域

本发明涉及船舶自动控制技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于二阶波浪漂移力的无人船路径跟踪方法。

背景技术

无人水面船简称无人船，是一种特殊的、多功能的水面智能机器人。随着人工智能和信息通信技术的不断发展，具有低成本、高效率、高安全性的无人高性能船舶在未来海洋开发和智能化设备应用中将发挥更重要的作用。军事方面，出于保护人身安全的目的，无人船可代替执行扫雷、侦察等高危任务，减少安全隐患；民用方面，无人船毫无疑问的可以减少人员费用的支出和提高通航的安全性。

目前来讲，无人船的控制方式主要有三种方式：远程遥控，自主航行，远程遥控与自主航行相结合。这三种方式中，第二种与第三种方式是目前无人船研究的热点问题。远程遥控主要依靠远程通信技术来实现无人船与岸边控制中心之间信息交流，存在着范围局限和信息延迟等问题。自主航行无人船有完整的自动控制系统，避碰和故障诊断系统等，要求自主航行的无人船也遵守相应的交通规则，对控制精度要求很高。

无人船执行任务的基础前提是能够精确的进行路径跟踪，然而由于无人船体积较小，在海面上航行时，遭受到风、浪、流等外界干扰对无人船运动控制影响较大，其中影响最显著的是海浪因素。如何精确的控制无人船在海浪等外界干扰下按照预定要求完成路径跟踪是无人船仍需攻克的难题。

发明内容

根据上述提出的无法精确控制无人船在海浪等外界干扰下按照预定要求完成路径跟踪的技术问题，而提供一种基于二阶波浪漂移力的无人船路径跟踪方法。本发明针对无人船的路径跟踪系统，采用有色噪声来刻画海浪干扰，用后推法进行控制器设计，从而使无人船追踪问题更接近现实情况，有益于推广应用。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于二阶波浪漂移力的无人船路径跟踪方法，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。

进一步地，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。