[发明专利]一种基于ESO估计漂角的无人船变速曲线路径跟踪控制方法

说明书

本发明公开了一种用于无人船曲线路径跟踪的控制方法，属于无人船运动控制领域。本发明提出一种基于ESO(扩张状态观测器)估计漂角的方法实现无人船在海洋扰动下的变速曲线路径跟踪控制。首先将环境扰动对无人船的影响等效为大小未知且时变的漂角，利用ESO对漂角进行估计并在LOS引导律中补偿。其次在传统LOS引导律的基础上增加航速引导律，使无人船能够依据曲线路径的曲率自动调节航速，进一步提高跟踪精度。最后设计滑模航向航速控制器，完成对期望航向和期望航速的精确跟踪，进而实现无人船曲线路径跟踪控制。该方法有效降低了海洋扰动对无人船路径跟踪控制的影响，提高了无人船路径跟踪的快速性、准确性，为无人船自主作业奠定基础。

技术领域

本发明涉及无人船运动控制领域，特别是涉及一种基于ESO估计漂角的无人船变速曲线路径跟踪控制方法。

背景技术

随着无人船的快速发展，无人船亟需提高路径跟踪控制的准确性、快速性，以保证其良好的海上自主作业能力。但无人船在路径跟踪过程中，必然会受到风、浪、流等环境因素的影响。环境扰动作用于无人船后，会使无人船产生横向速度，从而造成无人船实际的运动方向与无人船艏向之间形成一个夹角，即漂角。由于无人船检测手段的限制，无法直接测量无人船实际运动方向，所以无法通过反馈控制消除漂角。

现有控制技术通常针对环境扰动造成的漂角从运动学角度进行控制器的优化与改进，旨在提高控制器的鲁棒性，改善在海洋环境扰动下无人船路径跟踪控制效果。但是现有技术存在下列不足：第一，以漂角很小且为常值的假设为前提，但该条件在实际中很难满足；第二，虽然利用速度直接求取漂角简单易行，但是在计算过程中可能会放大测量噪声，尤其不利于小型无人船精确控制。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于ESO估计漂角的无人船变速曲线路径跟踪控制方法。考虑漂角的影响，通过设计扩张状态观测器(ESO)对其进行估计与补偿。其次在传统LOS引导律的基础上增加航速引导律，进一步提高跟踪精度。最后设计滑模航向航速控制器，完成对期望航向和期望航速的精确跟踪，进而实现无人船曲线路径跟踪控制。

本发明所采用的具体技术方案是：

将无人船曲线路径跟踪控制器的设计分为三个部分：改进LOS引导律、设计扩张状态观测器、设计滑模航向航速控制器。在制导层采用改进LOS引导律，在传统LOS引导律的基础上增加了无人船航速引导律，使改进后的LOS引导律可以同时提供期望航向与期望航速，从而进一步提高曲线路径跟踪精度。

为实现对漂角的估计，扩张状态观测器的设计分为两步：首先引入辅助变量，构造关于漂角的二阶扩张状态系统，以满足扩张状态观测器的应用条件；然后设计二阶扩张状态观测器估计漂角的大小。

在控制层采用滑模控制设计无人船航速航向控制器。滑模控制能够根据系统状态偏离滑模的程度切换控制器的结构，有较强的鲁棒性；此外，滑模控制对被控对象的模型误差、参数摄动不敏感。因此，无人船能够更加快速、准确地跟踪制导层给出的期望航速、期望航向。

与现有技术相比，本发明设计扩张状态观测器实现了对未知、时变，且大小任意漂角的精确估计，进而利用其估计值对LOS引导律给出的期望航向进行补偿与修正，保证了无人船曲线路径跟踪控制的稳定性；其次通过分析无人船航速与曲线路径曲率之间的关系，在传统LOS引导律的基础上增加了航速引导律的设计，使无人船能够根据路径曲率自整定航速，进一步提高路径跟踪精度；最后设计滑模航向、航速控制器，实现了对期望航向、航速的准确跟踪。

附图说明

图1为本发明的控制原理图；

图2为曲线路径跟踪策略原理图；

图3为无扰动时无人船曲线路径跟踪仿真结果图；

图4为无扰动时无人船路径跟踪误差变化仿真结果图；

图5为无人船航向跟踪控制仿真结果图；