[发明专利]基于直接参数化法的全驱动船舶轨迹跟踪控制方法和装置

说明书

本发明公开一种基于直接参数化法的全驱动船舶轨迹跟踪控制方法和装置，包括：根据船舶的运动学模型和动力学模型，得到全驱动船舶的二阶数学模型；根据全驱动船舶的非线性误差模型，得到动态增益观测器对复合扰动进行估计；根据全驱动船舶的二阶数学模型和动态增益观测器估计复合扰动设计轨迹跟踪控制器，所述控制器由基于动态增益观测器的补偿控制器和误差反馈控制器两部分构成，其中，误差反馈控制器是由直接参数化方法所设计。采用本发明的技术方案，解决了全驱动船舶在轨迹跟踪中所遇到的外部未知扰动和系统性能问题。

技术领域

本发明属于全驱动船舶的控制技术领域，具体涉及一种基于直接参数化法的全驱动船舶轨迹跟踪控制方法和装置。

背景技术

近年来，船舶的轨迹跟踪控制是自动控制领域中涌现的一个热门课题，最早研究的船舶主要是欠驱动船舶，仅涉及到纵向推力和艏摇船舵。随着船舶技术的不断发展，在前者的基础上，已出现拥有横向推力的全驱动船舶。

目前，以全驱动船舶为代表的全驱系统正在快速发展，大量的全驱系统被研制出来并投入实际使用，但是全驱动船舶的轨迹跟踪控制研究尚不成熟。

船舶在实际运动中有如下问题：

(1)外部未知扰动问题，船舶在复杂的海面航行时，风浪流等不确定因素致使船舶难以按照期望轨迹运动。

(2)轨迹跟踪系统的性能问题，船舶在实际航行过程中，由于系统本身的结构和参数，使其很难达到预期的性能指标。

综上所述，如何解决全驱动船舶的轨迹跟踪问题成为急需解决的难点。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于直接参数化法的全驱动船舶轨迹跟踪控制方法和装置，解决了全驱动船舶在轨迹跟踪中所遇到的外部未知扰动和系统性能问题。

本发明为了解决上述问题采用以下技术方案：

一种基于直接参数化法的全驱动船舶轨迹跟踪控制方法，设计基于动态增益观测器的补偿控制器对扰动进行补偿，解决外部未知扰动问题；设计误差反馈控制器对系统的性能进行优化，解决轨迹跟踪系统的性能问题。具体包括以下步骤：

一种基于直接参数化法的全驱动船舶轨迹跟踪控制方法，包括以下步骤：

步骤S1、根据北东坐标系和船体固定坐标系建立船舶的运动学模型和动力学模型，根据所述船舶的运动学模型和动力学模型得到全驱动船舶的二阶数学模型；其中，北东坐标系用于描述全驱动船舶的位置和姿态角，船体固定坐标系用于描述全驱动船舶运动时的线速度和角速度；

步骤S2、根据全驱动船舶的非线性误差模型，得到动态增益观测器对复合扰动进行估计；

步骤S3、根据全驱动船舶的二阶数学模型和动态增益观测器估计复合扰动设计轨迹跟踪控制器，所述控制器由基于动态增益观测器的补偿控制器和误差反馈控制器两部分构成，其中，误差反馈控制器是由直接参数化方法所设计。

作为优选，步骤S1中，对全驱动船舶进行建模，得到运动学模型和动力学模型为：