[发明专利]一种基于受限反步法控制的欠驱动无人船轨迹跟踪方法

权利要求书

1.一种基于受限反步法控制的欠驱动无人船轨迹跟踪方法，其特征在于，所述方法具体步骤如下：

步骤一 建立惯性坐标系下欠驱动水面无人船的三自由度运动学和动力学模型；

步骤二 距离控制设计：给定一条期望轨迹，由位置误差计算得到位置虚拟控制律，由虚拟控制律进一步推出控制纵向速度的带有输出约束的实际输入控制律，并使用神经网络对外界干扰进行估计及补偿，以此减小无人船与参考轨迹之间的距离差；

步骤三 角度控制设计：计算角度误差，并由角度误差计算得到角度虚拟控制律，由虚拟控制律进一步推出控制艏摇角速度的带有输出约束的实际输入控制律，并使用神经网络对外界干扰进行估计及补偿，以此减小无人船与参考轨迹之间的角度差。

2.根据权利要求1所述的一种基于受限反步法控制的欠驱动无人船轨迹跟踪方法，其特征在于：步骤一中所述的运动学与动力学模型建立过程如下：

建立惯性坐标系下无人船三自由度模型，O_gx_gy_g是建立在地球上的惯性坐标系，在该坐标系下无人船的运动学和动力学方程为

上述方程中，(x,y)表示当前位置坐标，ψ表示无人船当前艏摇角大小，即姿态变量，u是前进速度，v是横漂速度，r是艏摇角速度；为系统模型参数，在不同外界条件下(如水深变化)该参数会发生变化，因此是未知具体大小的矢量值，τ_u和τ_r分别表示由船舶操纵装置产生的纵向主推进力和转船力矩，d_u,d_v和d_r表示由风浪、洋流等因素引起的外部干扰量，函数f_u(u,v,r),f_v(u,v,r)和f_r(u,v,r)的具体表达式为：

上式中，m_{ii(i＝1,2,3)}为无人船的惯性质量参数，d_{ii(i＝1,2,3)}为无人船航行时的水动力阻尼系数。

3.根据权利要求1所述的一种基于受限反步法控制的欠驱动无人船轨迹跟踪方法，其特征在于：步骤二中所述的距离控制设计，具体方法如下：

给定期望轨迹，得到期望位置坐标(x_d,y_d)，由此定义以下误差变量:

x_e＝x_d-x,y_e＝y_d-y

其中式中位置误差为z_e，角度误差为ψ_e；其中，对位置误差大小的范围要求为0≤z_e＜k_a；

选取李雅普诺夫函数为则设计如下虚拟控制律α_u为：

实际控制律τ_u为：

自适应律为：

径向基函数为:

其中，为θ_u的估计值，k_ze＞0为虚拟控制律设计参数，k_ue＞0为实际控制律设计参数，a_u,k₁,θ_u0均为大于零的自适应律设计参数，N_u,μ_u,χ_iu,σ_u分别为径向基函数的网络结点数、放大因素、基函数中心和基函数宽度。

4.根据权利要求1所述的一种基于受限反步法控制的欠驱动无人船轨迹跟踪方法，其特征在于：步骤三中所述的角度控制设计方法如下：

由步骤二中所得角度误差变量为:

ψ_e＝ψ_d-ψ

其中，对角度误差大小的范围要求为-k_b＜ψ_e＜k_b,k_b＝π/2；

选取李雅普诺夫函数为则设计如下虚拟控制律α_r为：

实际控制律τ_r为：

自适应律为：

径向基函数为:

其中，为θ_r的估计值，k_ψe＞0为虚拟控制律设计参数，k_re＞0为实际控制律设计参数，a_r,k₀,θ_r0均为大于零的自适应律设计参数，N_r,μ_r,χ_ir,σ_r分别为径向基函数的网络结点数、放大因素、基函数中心和基函数宽度。