[发明专利]一种用于不确定系统的船舶路径跟踪控制方法

摘要

本发明提出了一种用于不确定系统的船舶路径跟踪控制方法，将外部干扰、模型不确定性和不确定系统参数问题同时解决。从描述船舶数学模型开始，考虑实际存在的不为零漂角对跟踪过程中航向角的影响，引入自适应律以解决不确定性和干扰问题，结合基于反步法设计的控制器保证跟踪性能。控制算法可有效实现对干扰和不确定性的抑制控制，使跟踪误差渐进为零，保证高精度的轨迹跟踪控制。

主权项

1.一种用于不确定系统的船舶路径跟踪控制方法，其特征在于：步骤1、建立3自由度欠驱动船舶数学模型；船舶数学模型描述如下：其中代表整个船舶模型的不确定性部分，如下：Δτ(η,v)＝d‑ΔC(v)v+ΔD(v)v+Δg(η)‑f(η,v)                (2)其中状态向量定义为η＝[x y ψ]^T，分别表示船舶在地面固定参考系OX_oY_o中的位置和航向角，状态向量分别代表在船体参考系BXY中纵摇、横摇和艏摇方向上相应的速度，由于不在同一坐标系内，下式表示两坐标系之间的关系：其中坐标旋转变换阵为表示船舶的包含附加质量的系统惯性矩阵，分别表示科里奥利向心力矩阵的已知可建模部分和未知不确定部分、分别表示水动力阻尼矩阵的已知可建模部分和未知不确定部分，分别表示重力/浮力引起的力、力矩矢量的已知可建模部分和未知不确定部分，表示由于未建模的动力学和传感器导致的模型不确定性部分，是系统控制输入，代表未知时变的包括风、海、流在内的外部环境干扰；步骤2、下达期望路径指令，即设定η_d＝[x_d y_d ψ_d]^T；步骤3、根据当前船舶在船体参考系BXY中纵摇、横摇方向速度值u、v，计算漂角值β，并对步骤2中设定的航向角参考值ψ_d进行修正；对原定期望航向角进行补偿修正：ψ_da＝ψ_d‑β                            (6)所以期望航迹值更新为η_da＝[x_d y_d ψ_da]^T                       (7)步骤4、自适应律对船舶模型中扰动、不确定部分Δτ(η,v)进行分析处理；引入辅助新变量z₁、z₂、z₃进行重新定义，虚拟镇定函数分别为α₁＝‑k₁z₁                                    (9)α₂＝‑R^T(η)(z₁+k₁(η‑η_da)+k₂z₂)                       (10)其中设计参数k₁、k₂为正常数；针对模型中不确定部分设计自适应律如下：其中分别为假设存在的未知正常数，θ＝[θ₁ θ₂ θ₃]^T、V＝[1 ||v|| ||v||²]^T，是θ的估计值，设计参数为正常数；步骤5、根据船舶航迹期望设定修正值η_da及实时运动状态值η、v，反步控制器结合自适应律计算出路径跟踪控制系统的控制输入τ；控制输入设计为：其中设计参数为正常数，为很小的正标量；步骤6、船舶系统接收并执行路径跟踪输入指令τ，计算得出当前航迹状态值η、v，并转到步骤3。