[发明专利]一种基于二阶滑模控制的气垫船路径跟踪控制方法

说明书

本发明公开了一种基于二阶滑模控制的气垫船路径跟踪控制方法，属于路径跟踪控制技术领域，尤其涉及二阶滑模控制方法在气垫船路径跟踪上的应用。一种基于二阶滑模控制的气垫船路径跟踪控制方法，首先建立气垫船运动三自由度数学模型；然后通过二阶滑模点对点位置控制器计算纵倾力；其次通过二阶滑模艏向控制器计算艏向力矩；最后将纵倾力矩与艏向力矩用于气垫船路径跟踪控制。本发明将二阶滑模控制方法运用到气垫船路径跟踪控制中，主要解决了气垫船模型高度非线性和不确定性，以及易受外界环境干扰等问题。

技术领域

本发明涉及路径跟踪控制技术领域，具体涉及一种基于二阶滑模控制的气垫船路径跟踪控制方法。

背景技术

气垫船作为水陆两栖的船种，能够在水面和地面上方便地航行，因此广泛用于军事用途。作为作战登陆艇是其重要的用途之一。气垫船分为全垫升气垫船和侧壁式气垫船，本发明主要针对全垫升气垫船。全垫升气垫船由于其用途广泛，尤其是军事用途。因此，对气垫船进行路径跟踪控制研究具有重要意义。

针对气垫船运动模型的高度非线性和不确定性，以及易受外界环境干扰等特点。一般的控制方法难以解决此问题，滑模控制方法具有较高的鲁棒性，针对非线性系统以及系统不确定性和外界环境干扰都有较好的控制效果，但传统滑模控制方法是以较大的抖颤作为代价来换取较好的控制性能。

在国内外的文献及专利文件中，未见有将此方法应用到气垫船中的报道。

发明内容

本发明针对气垫船运动模型的高度非线性和不确定性，以及易受外界环境干扰等特点。一般的控制方法难以解决此问题，滑模控制方法具有较高的鲁棒性，针对非线性系统以及系统不确定性和外界环境干扰都有较好的控制效果，但传统滑模控制方法是以较大的抖颤作为代价来换取较好的控制性能，二阶滑模控制方法将控制输入进行积分，大大减少了滑模控制的抖颤现象，本文提出一种基于二阶滑模控制的气垫船路径跟踪控制方法，将二阶滑模应用于气垫船的路径跟踪控制中，并通过仿真实验获得了较好的控制效果。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于二阶滑模控制的气垫船路径跟踪控制方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤一 建立气垫船运动三自由度数学模型；研究空间运动体，建立固定坐标系和船体运动坐标系，对气垫船横荡、纵荡、和艏摇三个自由度建立三自由度运动数学模型；

针对气垫船进行三自由度水面运动建立数学模型：

其中：η＝[x,y,ψ]^T表示气垫船位置和艏向角；υ＝[u,v,r]^T表示气垫船速度和角速度；M＝diag{m,m,I_z}表示气垫船质量和转动惯量；τ＝[τ_u,0,τ_r]^T表示控制力与控制力矩；d＝[d_u d_v d_r]^T表示外界干扰；

k_mi(i＝1～7)表示阻尼系数；附加质量矩阵C(υ)和旋转矩阵R(ψ)；

步骤二 给定参考位置；

步骤三 获取位置误差；通过全球定位系统GPS获取气垫船实际位置，与给定参考路径比较，获取实际误差，如误差为零，则执行步骤六，如果误差不为零，则执行步骤四与步骤五；

步骤四 通过二阶滑模点对点位置控制器计算纵倾控制力；

步骤五 根据点对点位置导航法计算导航角，将计算导航角与罗经获取实际导航角进行比较，如果艏向误差为零，则重新通过点对点位置导航法计算导航角，如果误不为零，则通过二阶滑模艏向控制器计算控制力矩；