[发明专利]一种基于模糊状态观测器的单喷泵推进无人水面艇自适应航向控制方法

摘要

本发明公开了一种基于模糊状态观测器的单喷泵推进无人水面艇自适应航向控制方法，属于无人水面艇运动控制技术领域；本发明包括：(1)获取无人水面艇运动状态信息；(2)获取无人水面艇的航向指令信息；(3)自适应跟踪无人水面艇内外环境干扰；(4)借鉴残差分析思想对环境干扰力进行预估；(5)消除时间滞后对干扰力作用判断的影响。本发明针对喷水推进方式的无人滑行艇设计的模型导向型航向控制方法存在实际应用困难的弱点及未考虑推进装置的实际工作特性的问题进行了改进，得到了一种面向工程应用的自适应单喷泵推进无人水面艇航向控制方法，对单喷泵机械安装误差和环境干扰等不利因素具有自适应特性。

主权项

1.一种基于模糊状态观测器的单喷泵推进无人水面艇自适应航向控制方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤一：程序启动，通过串口接收位置传感器、姿态传感器等运动传感器输出的数据信息；分别根据相应传感器的通讯协议，对接收到的数据串进行校验、解码，获得无人水面艇当前的位置坐标、速度、航向角、姿态角等运动状态信息；步骤二：采用低阶多项式滑动拟合法来对上述运动状态信息进行判断和剔除野值；为避免野值逆传而误将正常值判断为野值，选择七点二阶前推差分算式：令目标数据为步骤三：数据平滑滤波处理，采用五点三次平滑公式，以最佳逼近曲线的右端点作为对位置的初步滤波值：步骤四：获取无人水面艇的航向指令信息，根据控制系统的通讯协议得到期望的人机交互指令信息和规划系统指令信息；步骤五：根据无人水面艇运动性能对航向指令进行规范化处理，消除指令越界和跳变带来的系统不稳定因素影响；步骤六：建立内外双回路控制结构，外部回路采用线性控制方法——比例控制；内部回路借鉴残差分析思想，建立状态观测器，结合模糊理论和S面控制方法，自适应跟踪无人水面艇内外环境干扰；控制系统输出为u＝u1+u2，其中u为控制器的输出，表示转艏力矩的大小；u1为输出的比例部分，u2为输出的自适应部分；u1＝Pe，P为比例控制的比例系数；e为航向角偏差，是期望航向和当前航向的差值；步骤七：令其中λ为约束因子，δ为干扰力的观测权值；为S面控制，体现了模糊控制的思想；为的观测值，由下式来计算：步骤八：环境干扰力预估，借鉴残差分析思想，建立与干扰力作用相关的观测器，结合模糊运算方法，通过观察表征干扰力作用的特征状态参数，判断干扰力存在的可能性，最终解算出相应干扰力的观测权值；引入表征干扰作用强度的语言变量L：L＝{li,i＝1,2,…,I}；此处，L只有“大”和“小”两种取值：L＝{SMALL,BIG}≡{0,1}；步骤九：定义如下的参数矩阵：其中τi(i＝1,2,…,m)表示第i个观测量，Fj(j＝1,2,…,n)表示第j种干扰作用力；参数矩阵WF的维数根据实际情况来确定；矩阵WF中第i行第j列元素表示观测量τi对干扰作用力Fj的敏感程度，1代表“大”，0代表“小”；步骤十：定义模糊隶属度函数如下：其中，μi,0和μi,1分别表示观测量τi隶属于语言变量“小”和“大”的隶属度；观测量大小τi由如下的语言变量来评估|τi|→Li＝{μi,0,μi.1}i＝1,2,…,m，m为观测量个数；很显然，有式μi,0+μi,1＝1成立；步骤十一：判定干扰作用力是否存在；干扰作用力的存在程度Fp由式得：如果表征干扰作用力存在程度的Fp值较大(大于某个阈值)时，执行步骤十三，计算出隶属度δj的值；步骤十二：设Wij表示干扰作用力矩阵WF第i行j列的元素值，则对于第j种干扰作用力Fj的观测权值用其隶属度δj来表示，由下式计算得到：步骤十三：观测因子δ＝max{δj},j＝1,2,…,n，其符号由此时的eθ来决定；步骤十四：由于对干扰力作用的判断是通过水面无人艇相关的状态观测来实现的，判断结果的产生在时间域上会具有一定的滞后，为了避免时间滞后带来的输出振荡，约束因子λ以非线性递减的形式作用于控制器输出，随着时间的推移逐渐减小对于残余小量干扰的作用，消除时间滞后的影响：令其中λ0和λ1为常值，t为δ同符号作用的控制节拍，tmax为干扰作用的最大控制节拍值，当δ改变符号时，t重新开始计算。