[发明专利]一种无人艇路径跟踪导引策略和扰动补偿方法

说明书

本发明涉及一种无人艇路径跟踪导引策略和扰动补偿方法，属于无人艇路径跟踪控制技术领域；包括从运动学角度出发，提出基于流干扰观测器补偿和障碍李雅普诺夫函数的改进型ILOS导引算法；将无人艇的位置误差转化为Serret‑Frenet坐标系下的位置误差，然后分别设计纵向导引律、艏向导引律和虚拟目标运动导引律，来镇定无人艇的位置误差并计算出期望艏向角；针对风浪等不确定环境带来的控制干扰，设计二阶扰动观测器估计已知上界下的环境扰动；结合反步法、滑模变结构自适应策略实现无人艇的纵向速度和艏向跟踪；通过李雅普诺夫稳定性定理得到闭环系统最终一致有界，理论上证明了无人艇能够跟踪期望路径，并通过仿真实验验证了算法的有效性。本发明应用前景广阔。

技术领域

本发明涉及一种无人艇路径跟踪导引策略和扰动补偿方法，属于无人艇路径跟踪控制技术领域。

背景技术

无人水面艇(unmanned surface vehicle，USV)，相比于寻常船舶，具有轻量级、速度快、多含人工智能、机动灵活性强等特点，在执行一些重复、枯燥、危险任务或者在恶劣海况下航行时具有很大的优势。在无人艇未来执行上述的任务过程中，除了满足节能和安全的两个先决条件之外，还需要无人艇拥有自主的路径跟踪控制技术，即要求无人艇能够完成在设定的航线上航行。自主的全局路径规划是无人艇完成路径跟踪和目标跟踪的基础，是完成复杂、多种任务作业的基石，路径跟踪控制是无人艇全局路径规划的最终目标，进行无人艇路径跟踪控制方法的研究可为其精确打击目标、高能作战和编队控制等关联海洋任务提供有力的支持。

发明内容

本发明的目的是为了观测补偿无人艇路径跟踪受海流干扰产生的漂角影响和受风浪等环境产生的控制干扰等问题而提供一种无人艇路径跟踪导引策略和扰动补偿方法。

本发明的目的是这样实现的：一种无人艇路径跟踪导引策略和扰动补偿方法，具体包括以下步骤：

步骤1、建立位置误差系统；

将USV在北东坐标系下位置误差转换到SF坐标架下的位置误差，具体公式为：

式中(x_F,y_F)是期望全局路径上的路径点坐标；

步骤2、从运动学角度出发，设计基于流干扰观测器补偿和障碍李雅普诺夫函数即BLF的改进型ILOS导引算法；

步骤2.1、BLF对无人艇位置误差的限定：

考虑到USV在海上航行时受到的海流等环境干扰，将USV进行全局路径跟踪时产生的横向位置误差和纵向位置误差进行误差限制，避免USV因横向位置误差过大而撞上海上的静态碍航物，采取的手段是基于BLF的位置误差约束；采取对称型BLF来对ILOS导引算法中的位置误差系统(x_e,y_e)进行限制，具体公式为：

后面遇到的位置误差系统(x_e,y_e)均为受限制的，其中k_b为一正常数；

步骤2.2、流干扰观测器对海流的观测补偿：

考虑到李雅普诺夫能量函数：

对上式求时间的导数，有下面等式成立：

式中分别是对应变量的观测器设计；

为稳定设计下面的观测器：

联立上式有如下等式成立：