[发明专利]一种基于回转率约束的无人艇轨迹跟踪安全控制方法

说明书

本发明提供的是一种基于回转率约束的无人艇轨迹跟踪安全控制方法。首先，考虑外界环境中存在的未知干扰，设计无人艇轨迹跟踪控制器，通过引入干扰观测器对外界时变干扰进行估计，然后在控制器中加入干扰观测器对外界干扰的估计值来抵消外界环境干扰，防止外界干扰过大时导致无人艇转艏角速度过大，从而影响无人艇的安全航行；其次，通过引入指令滤波器来获得期望艏向的一阶近似导数，既避免了对期望艏向的复杂求导，又可以限制期望艏向的幅值，为下文障碍李雅普诺夫的设计做准备；最后，通过引入障碍李雅普诺夫函数限制转艏角速度误差，从而间接限制无人艇的转艏角速度在一定的安全范围之内，保证无人艇安全航行。

技术领域

本发明涉及的是一种无人艇安全航行的控制方法。

背景技术

由于海洋环境复杂多变，并且无人艇具有体积小、质量轻等特点，因此无人艇在航行时其运动姿态必然会受到外界环境干扰的影响。无人艇能否安全航行受其转艏角速度和侧滑角的影响最大，而转艏角速度过大是直接导致无人艇侧滑角过大的主要因素，从而使无人艇的安全航行存在很大的安全隐患。因此，为保证无人艇安全航行，应该严格约束无人艇的转艏角速度在一定范围之内，避免无人艇的转艏角速度超出界限。

目前，对于船舶安全航行的研究大多数都是从船员因素、船舶因素及环境因素方面进行的，而没有通过定量控制分析无人艇高速航行时的安全问题，即未对无人艇的状态变量进行约束控制。现有的无人艇安全航行定量控制方法较少，无人艇模型预测控制(MPC)方法是一种定量控制方法，通过对系统的状态变量进行约束，从而对无人艇的安全航行进行控制，但是这种方法存在计算十分繁琐、实际工程难以应用的问题。因此，设计一种通过约束无人艇的状态变量控制无人艇安全航行并且便于实际应用的控制方法在理论研究和工程领域都具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够避免侧滑角过大，保证无人艇的安全航行的基于回转率约束的无人艇轨迹跟踪安全控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

步骤1：设置无人艇初始位姿为η＝[-300]、初始速度为υ＝[200]，设置期望轨迹为：

其中，x_d,y_d,ψ_d,u_d,r_d分别表示期望纵向位置、期望横向位置、期望艏向角、期望纵向速度和期望艏向角速度；分别表示x_d,y_d,ψ_d对时间的一阶导数；

设置期望纵向速度为u_d＝10，设置期望艏向角速度为：

其中，t表示仿真时间；

设置外界干扰为：

其中，τ_wu,τ_wv,τ_wr分别表示外界纵向扰动力、横向扰动力和转艏扰动力矩；

步骤2：由计算虚拟控制律α_u；

其中，k₁＝0.3；δ_Δ＝0.3；v表示无人艇的横向速度；ψ_e＝ψ_r-ψ表示艏向误差；表示绝对位置误差；x_e＝x_d-x表示纵向位置误差；y_e＝y_d-y表示横向位置误差；ψ_r表示无人艇与虚拟船之间的方位角，表达式为：

其中，sign(·)为符号函数；

步骤3：由计算虚拟控制律α_r；