[发明专利]一种输入受限的无人船航向共融控制方法、系统及结构

说明书

本发明公开了一种输入受限的无人船航向共融控制方法、系统及结构，包括：模型参考模块、自适应输入控制器模块、μ‑mod输入受限模块及故障感知决策模块；模型参考模块在航向系统遭遇执行器故障而引发的效率不足时，通过比较受控对象与参考模型获取两者的误差信息，从而使得航向系统的输出尽可能跟随参考模型的输出；自适应输入控制器模块包含前馈和反馈调节器，在不完全确定或局部变化的环境中，保持与环境的自适应性；μ‑mod输入受限模块通过建立虚拟缓冲区，克服输入饱和的问题，保证无人船航向控制系统能够跟随给定信号；故障感知决策模块依据监管者的置信度，对异常检测的结果加权重，拓展了自动驾驶仪单独处理异常的能力。

技术领域

本发明涉及无人船运动控制技术领域，尤其涉及一种输入受限的无人船航向共融控制方法、系统及结构。

背景技术

海洋蕴藏着巨大的矿产资源、石油天然气资源和海洋生物资源等，对人类的生存和可持续发展具有重要意义。为了更好的探索海洋环境，利用海洋资源，维护海洋权益，各种海洋自主航行装备成为海洋领域的研究热点，无人船(USV)作为一种智能的、多功能的且可以远程控制或者自主航行两种方式操纵的水面平台，凭借高机动性、可部署性、智能化等特点，具有重要的军用和民用价值。无人船在高度复杂多样的环境下执行任务，当机械元器件遭遇物理故障或通信传感器遭受网络攻击时，会出现无人船动力推进系统运行效率下降，引发执行动力缺失等问题。在跟踪给定指令时，执行器效率不足难以完成跟踪任务，将出现控制输入快速饱和的现象，导致无人船控制系统稳定性降低，甚至失控，造成严重后果。

目前针对无人船在异常情况下的控制问题有很多控制方法，如自适应控制、模型预测控制、反步控制、模糊PID控制等。然而在无人船控制方面，在发生故障时，现有的控制技术存在下列不足：

一是在现有具有执行机构故障的无人船在完成任务的过程中存在执行效率不足的状况，将引发控制输入过于饱和，对航向命令的跟踪出现误差甚至完全跟踪失败，风浪流等扰动具有随机性和不确定性加剧了航向控制系统的不稳定性。

二是无人船的实际运动异常复杂多变，行进过程中容易遭受海风浪的扰动，要求无人船航向控制系统具有一定的精确性和鲁棒性。现有航向控制器在控制过程中无法实时在线修改参数，对于不能建立精确数学模型的被控系统没有很好的适应性。

三是现有无人船自动驾驶仪在面对执行器故障时无法单独完成对异常的检测和纠正，需要解除控制权转移给监管人排除异常，难以维持对给定指令的持续跟踪，不能达到很好的控制效果。

发明内容

本发明提供一种输入受限的无人船航向共融控制方法、系统及结构，以克服上述技术问题。

本发明一种输入受限的无人船航向共融控制方法，包括：

建立无人船的运动学模型和航向控制系统模型；

当航向控制系统遭遇执行器故障而引发效率不足时，通过所述航向控制系统模型获得控制舵角指令，设定共融控制输入信号初始值，并依据监管者的置信度对所述执行器故障的检测结果进行加权处理，得到执行器效率估计信号；

根据所述控制舵角指令、共融控制输入信号初始值及执行器效率估计信号，获得航向控制系统状态和参考模型系统状态；通过比较所述航向控制系统状态和参考模型系统状态得到状态误差信号；

根据所述控制舵角指令及状态误差信号，建立前馈和反馈自适应律，并通过误差和非线性估计，得到自适应控制输入信号；

根据所述自适应控制输入信号和状态误差信号，得到受限控制输入，以防止控制输入达到饱和界限，并得到共融控制输入信号，以在执行器故障时保证航向控制系统跟随给定信号。

进一步地，所述建立无人船的运动学模型和航向控制系统模型，包括：

所述运动学模型表示为：