[发明专利]基于速度与航向双重制导的无人船精确路径跟踪控制方法

摘要

本发明公开了一种基于速度与航向双重制导的无人船精确路径跟踪控制方法，包括以下步骤：建立无人船运动学和动力学模型；构造路径跟踪误差动态；设计速度与航向双重制导律；设计有限时间干扰观测器。本发明提出的速度与航向双重制导律可以根据路径跟踪误差同时制导速度和航向角，提高了路径跟踪控制系统的稳定性和灵活性。本发明构造的有限时间扰动观测器能精确观测复杂的外界干扰，并且在有限时间内确保观测误差为零，可以避免有界观测和渐近观测的局限性。本发明设计了结合有限时间观测器设计和反步控制技术的速度和航向跟踪控制器，使得在存在复杂干扰的情况下可以精确跟踪制导信号，从而实现精确的无人船路径跟踪控制。

主权项

1.基于速度与航向双重制导的无人船精确路径跟踪控制方法，其特征在于：利用路径跟踪控制系统进行跟踪控制，所述的路径跟踪控制系统包括制导子系统和控制子系统；所述的制导子系统是一个决策系统，结合无人船与参考路径之间的误差产生速度和航向的参考指令，以此参考指令动作，跟踪误差将渐近收敛到零；所述的控制子系统是一个执行系统，使无人船实际姿态和参考指令达到一致，通过设计基于有限时间观测器的鲁棒控制器，实现精确的扰动观测以及精确跟踪控制；所述的路径跟踪控制方法，包括以下步骤：A、建立无人船运动学和动力学模型基于无人船运动学模型导出路径跟踪误差系统，进而设计制导律稳定制导子系统；基于无人船动力学模型，设计观测器及控制器稳定控制子系统，进而实现整个路径跟踪控制系统的稳定，实现精确的路径跟踪控制；无人船运动学模型如下：式中，x、y分别是惯性坐标系下无人船的横坐标、纵坐标，ψ是无人船在惯性坐标系下的航向，u是浮体坐标系下无人船的前向速度，v是浮体坐标系下无人船的横向速度、r是浮体坐标系下无人船的航向角速度；无人船动力学模型如下：式中：d₁₁是无人船在前向速度维度上的阻尼参数，d₂₂是无人船在横向速度维度上的阻尼参数，d₃₃是无人船在航向角速度维度上的阻尼参数，m₁₁是无人船在前向速度维度上的质量参数，m₂₂是无人船在横向速度维度上的质量参数，m₃₃是无人船在航向角速度维度上的质量参数，τ_u和τ_r分别为可利用的控制输入前向推力和转向力矩，是无人船在前向速度上的外界干扰，是无人船在横向速度上的外界干扰，是无人船在航向角速度速度上的外界干扰；B、构造路径跟踪误差动态在无人船跟踪参数路径上选取一个移动虚拟点，以这个移动虚拟点为原点，其在惯性坐标系下的横纵坐标分别为xp和yp，建立一个相对于惯性坐标系旋转角度φp的坐标系，称之为路径正切参考坐标系，无人船相对于移动虚拟点在路径参考坐标系横坐标方向上的位置误差为xe，在纵坐标方向上的位置误差为ye，xe和ye的计算公式如下：则路径跟踪误差的动态为：式中，是无人船在路径正切参考坐标系下横坐标方向上的路径跟踪误差的导数，是无人船在路径正切参考坐标系下纵坐标方向上的路径跟踪误差的导数，是侧滑角，u_tar是路径上移动虚拟点的速度，表达成下列形式：式中：是路径参数，是路径参数的导数，是x_p相对于的偏导数，是y_p相对于的偏导数。C、设计速度与航向双重制导律基于推导出的路径跟踪误差动态(4)，设计制导律如下，使路径跟踪误差渐近稳定到零，制导子系统达到渐近稳定：其中，u_d是无人船前向速度u的参考值，ψ_d是航向ψ的参考值，β_d是侧滑角β的理想信号，k₁＞0是前向速度制导律中的设定常数，Δ>0是前视距离，k₂＞0是航向制导律中的设定常数，是理想航速值。D、设计有限时间干扰观测器为了方便有限时间干扰观测器的设计，于是将前述无人船的动力学模型进一步整理成矩阵形式：v＝[u,v,r]T      (7)τ＝[τu 0 τr]T    (9)f(v)＝[fu,fv,fr]T      (10)式中，v是无人船速度矩阵，是无人船速度导数矩阵，M是无人船质量矩阵，τ是无人船控制输入矩阵，其中：有限时间干扰观测器被设计成如下形式：是速度导数矩阵的估计值，是速度矩阵的估计值，ζ是在有限时间干扰观测器设计过程中定义的辅助变量，L是有限时间干扰观测器增益矩阵，λ₁是有限时间干扰观测器调节参数，λ₂是有限时间干扰观测器另一个调节参数，是外界干扰的估计值。E、基于有限时间观测器的控制器设计k_u是速度控制器中的前向速度设定参数，要求是一个正值，k_r是航向控制器中的航向角速度设定参数，要求是一个正值，是前向速度制导律的导数，是前向速度维度上的干扰的估计值，是航向角速度方向上的干扰的估计值，r_d是虚拟控制律：是虚拟控制律的导数。