[发明专利]一种动力定位船舶跟踪的导引控制方法

摘要

本发明涉及一种动力定位船舶跟踪的导引控制方法，包括下列步骤：建立动力定位船舶的数学模型；根据动力定位船舶的数学模型，结合积分平行目标导引算法，得到动力定位船舶的期望速度v_d(t)；根据动力定位船舶的期望速度v_d(t)，结合积分滑模控制方法，计算得到动力定位船舶的导引控制命令τ^*；根据动力定位船舶的导引控制命令，结合动力定位船舶的数学模型，计算得到下一时刻的动力定位船舶的数学模型；判断动力定位船舶是否结束跟踪，若是则结束计算，若否则返回计算动力定位船舶的期望速度。与现有技术相比，本发明具有改善大惯性跟踪控制的性能、跟踪过程易于调节、控制稳定性高、鲁棒性能强以及控制精度高等优点。

主权项

1.一种动力定位船舶跟踪的导引控制方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：1)建立动力定位船舶的数学模型，具体为：11)在大地坐标系和船体坐标系中建立动力定位船舶的三自由度数学模型；12)根据步骤11)建立的三自由度数学模型，通过坐标变换得到大地坐标系中动力定位船舶的数学模型，动力定位船舶的三自由度数学模型具体为：其中，η为动力定位船舶在大地坐标系中的位置和艏向向量，v为动力定位船舶在船体坐标系中的线速度和角速度向量，τ为推进器产生的力和力矩向量，J(ψ)为船体坐标系到大地坐标系的转换矩阵，M为动力定位船舶的惯性矩阵，D(v)为动力定位船舶的水动力阻尼项，C(v)为科里奥利向心力矩阵，Δτ为环境干扰的不确定项；2)根据动力定位船舶的数学模型，结合积分平行目标导引算法，得到动力定位船舶的期望速度v_d(t)，具体为：21)通过虚拟质点表示根据跟踪任务计算得到的当前被跟踪位置，得到动力定位船舶与虚拟质点之间的位置偏差向量22)根据步骤21)得到的位置偏差向量计算得到动力定位船舶沿视线方向与虚拟质点的接近速度v_a(t)；所述动力定位船舶沿视线方向与虚拟质点的接近速度v_a(t)具体为：其中，U_a,max(t)为向虚拟质点方向最大接近速度的参数，为用于调节动力定位船舶接近虚拟质点表现的参数；23)根据步骤22)得到的动力定位船舶沿视线方向与虚拟质点的接近速度v_a(t)，结合积分平行目标导引算法，计算得到动力定位船舶的期望速度v_d(t)，所述动力定位船舶的期望速度v_d(t)，具体为：其中，v_t(t)为虚拟质点的运动速度，K₁为设计参数，v_ep(t)为动力定位船舶的跟踪速度误差；3)根据步骤2)得到的动力定位船舶的期望速度v_d(t)，结合积分滑模控制方法，计算得到动力定位船舶的导引控制命令τ^*，具体为：31)根据步骤2)得到的动力定位船舶的期望速度v_d(t)，计算得到大地坐标系中动力定位船舶的速度和角速度的偏差向量ν_e(t)，其表达式为：v_e(t)＝v_d^*(t)‑v_η(t)其中，v_d^*(t)的前两项为步骤2)得到的动力定位船舶的期望速度v_d(t)，第三项为数值为零的期望艏向角速度，v_η(t)的前两项为大地坐标系中动力船舶的当前速度向量，第三项为当前艏向角速度；32)根据步骤31)得到的偏差向量，得到滑模面函数s_n；其中，K₂为设计参数；定义变换矩阵：选择径向无界李雅普诺夫函数设计参数k₂₁＝‑k₁₁,k₂₂＝‑k₁₂以及k₂₃，使得33)根据步骤32)得到的滑模面函数，选择李雅普诺夫候选函数V_n：34)对步骤33)得到的李雅普诺夫候选函数V_n求导，得到导引控制器作为动力定位船舶的导引控制命令τ^*，若对V_n进行求导：设计导引控制器：其中，sgn(s_n)＝‑1,1为一个符号函数，设定参数σ、μ并使其满足σ≥|Δτ|_i，i＝1、2、3，及μ＞0，就有即t→∞有s_n→0；M^*(ψ)＝J(ψ)MJ^T(ψ)；τ^*＝J(ψ)τ；Δτ^*＝J(ψ)Δτ；r为艏向角速度；4)根据步骤3)得到的动力定位船舶的导引控制命令，结合步骤1)建立的动力定位船舶的数学模型，计算得到动力定位船舶的数学模型的位置和速度，具体为：41)将步骤3)得到的动力定位船舶的导引控制命令τ^*，转换为动力定位船舶的数学模型中的参数τ，具体为：τ＝J^‑1(ψ)τ^*其中，J(ψ)为船体坐标系到大地坐标系的转换矩阵；42)将步骤41)计算得到的参数τ，代入至动力定位船舶的数学模型中，计算得到动力定位船舶的数学模型的位置和速度；5)判断动力定位船舶是否结束跟踪，若是则结束计算，若否则返回步骤2)。