用于无人艇轨迹跟踪的自适应超螺旋滑模控制方法及系统

本发明涉及无人船，尤其涉及用于无人艇轨迹跟踪的自适应超螺旋滑模控制方法及系统。

背景技术：

1、因为水面无人艇具有运动灵活、能自主执行水上任务等特点，其在海洋科学研究、环境水质监测、水面数据采集和水面搜救等方面得到了广泛应用。

2、无人艇轨迹跟踪控制问题是其能否自主运行的关键，且外界环境力和传感器测量误差等外界不确定性干扰因素的存在使轨迹跟踪控制变得更加复杂。

3、国内外学者针对轨迹跟踪控制问题提出了诸多方法，如lyapunov直接法、反步法、非线性模型预测控制、滑模控制、神经网络控制、模糊逻辑等。

4、传统滑模控制方法，例如：gonzalez-garcia等人的guidance and control basedon adaptive sliding mode strategy for a usv subject to uncertainties，滑模趋近律设计不合理、控制参数选择不当和无人艇数学模型非线性特性等问题容易引发抖振。

5、此外，由外界不确定性干扰引起的控制器增益非平滑变化会使模型频繁输出信号突变，对船舶控制器和推进系统存在潜在危害。

技术实现思路

1、针对现有方法的不足，本发明针对自适应增益方法存在自适应范围小、参数需要多次调整等问题，为提高无人艇的抗干扰能力，解决滑膜控制方法的抖振问题，使模型和推进器输出稳定的信号。

2、本发明所采用的技术方案是：一种用于无人艇轨迹跟踪的自适应超螺旋滑模控制方法包括以下步骤：

3、步骤一、构建无人艇的三自由度数学模型，并在无人艇模型中引入包含风浪的不确定性干扰项，得到无人船实际轨迹；

4、作为本发明的一种优选实施方式，不确定性干扰项包括风阻力和浪阻力。作为本发明的一种优选实施方式，风阻力的公式为：

5、τwind＝[xwind ywind nwind]t

6、

7、其中，ρa为本地空气密度，afw、alw分别表示船艏投影面积和船身侧边投影面积，loa是无人艇的总长度，cx(γrw)、cy(γrw)和cn(γrw)为风的力和力矩计算系数，vrw为相对平均风速。

8、作为本发明的一种优选实施方式，浪阻力的公式为：

9、τwave＝[xwave ywave nwave]t

10、

11、其中，βwave为浪的方向，ψ为艏向角，fwave为浪对船产生的漂流力，nwave为浪对船产生的漂流力矩。

12、作为本发明的一种优选实施方式，引入轨迹参考点将无人艇三自由度数学模型转换为二阶系统微分数学方程模型，包括：

13、设立二阶系统的轨迹参考点χ＝[χx χy]t；

14、对轨迹参考点χ进行一次和二次求导；

15、定义τδ＝[τu τr]t，定义f＝[fx fy]t和g的具体形式为：

16、

17、

18、将无人艇数学模型转化为：

19、

20、其中，l为船体坐标系重心原点延纵轴的距离；m为船体质量，和为质量惯性参数；u、v、r分别为船体坐标系下船体的纵向速度、横向速度和艏摇角速度；τu和τr分别为船的纵向推力和艏摇力矩；ψ为艏向角；τδ为轨迹跟踪控制器。

21、步骤二、设置无人船双推进器的期望轨迹，分别计算双推进器的期望轨迹和实际轨迹的误差项，将误差项输入自适应超螺旋滑膜趋近律的轨迹跟踪控制器得到趋近律，利用趋近律输出无人船纵向推力和艏摇力矩；

22、作为本发明的一种优选实施方式，自适应超螺旋滑膜趋近律的公式为：

23、

24、其中，ki(t)为自适应增益，σi为滑模面。

25、作为本发明的一种优选实施方式，自适应增益的自适应解公式为：

26、

27、

28、其中，k(t)为自适应增益，α为控制器参数，kmin为自适应增益最小值。

29、作为本发明的一种优选实施方式，双推进器的推力与船的纵向推力和转向力矩之间数学关系为b为船纵轴中心线至推进器纵轴中心线之间的距离，τu和τr分别为船的纵向推力和艏摇力矩。

30、作为本发明的一种优选实施方式，根据lyapunov稳定性理论对自适应增益进行稳定性证明，选择备选函数v(ξ，k)在零点处存在平衡点；排除零点之外的定义域v(ξ，k)为半正定，为半负定，在有限时间内如果ξ1和ξ2收敛，则趋近律在有限时间收敛，且不存在奇异点。

31、步骤三、将无人船的纵向速度、横向速度、艏摇角速度和艏向角输入到轨迹跟踪控制器形成闭环反馈。

32、作为本发明的一种优选实施方式，用于无人艇轨迹跟踪的自适应超螺旋滑模控制系统，包括：存储器，用于存储可由处理器执行的指令；处理器，用于执行指令以实现用于无人艇轨迹跟踪的自适应超螺旋滑模控制方法。

33、本发明的有益效果：

34、1、在三自由度数学模型中引入外界不确定性干扰部分，与传统无人艇数学模型相比，充分考虑风阻力和浪阻力的影响，通过控制器真实反应无人船的运行环境，可靠性和准确性得到提升；

35、2、将无人艇三自由度数学模型转化为标准柯西形式的二阶系统微分方程，便于轨迹跟踪控制器的求解；

36、3、改进的自适应增益范围大，具有平滑的变化率，并减少调整的参数量，有效解决现有控制器的抖振问题；

37、4、依托lyapunov稳定性理论，选用的lyapunov备选函数有效证明改进的自适应增益的稳定性。

技术特征：

1.用于无人艇轨迹跟踪的自适应超螺旋滑模控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的用于无人艇轨迹跟踪的自适应超螺旋滑模控制方法，其特征在于，步骤二中自适应超螺旋滑膜趋近律的公式为：

3.根据权利要求2所述的用于无人艇轨迹跟踪的自适应超螺旋滑模控制方法，其特征在于，自适应增益的自适应解公式为：

4.根据权利要求3所述的用于无人艇轨迹跟踪的自适应超螺旋滑模控制方法，其特征在于，根据lyapunov稳定性理论对自适应增益进行稳定性证明，选择备选函数v(ξ,k)在零点处存在平衡点；排除零点之外的定义域v(ξ,k)为半正定，为半负定，在有限时间内如果ξ1和ξ2收敛，则趋近律在有限时间收敛，且不存在奇异点。

5.根据权利要求1所述的用于无人艇轨迹跟踪的自适应超螺旋滑模控制方法，其特征在于，不确定性干扰项包括风阻力和浪阻力。

6.根据权利要求5所述的用于无人艇轨迹跟踪的自适应超螺旋滑模控制方法，其特征在于，风阻力的公式为：

7.根据权利要求5所述的用于无人艇轨迹跟踪的自适应超螺旋滑模控制方法，其特征在于，浪阻力的公式为：

8.根据权利要求1所述的用于无人艇轨迹跟踪的自适应超螺旋滑模控制方法，其特征在于，步骤一中引入轨迹参考点将无人艇的三自由度数学模型转换为二阶系统微分数学方程模型，包括：

9.根据权利要求1所述的用于无人艇轨迹跟踪的自适应超螺旋滑模控制方法，其特征在于，双推进器的推力与船的纵向推力和转向力矩之间数学关系为b为船纵轴中心线至推进器纵轴中心线之间的距离，τu和τr分别为船的纵向推力和艏摇力矩。

10.用于无人艇轨迹跟踪的自适应超螺旋滑模控制系统，其特征在于，包括：存储器，用于存储可由处理器执行的指令；处理器，用于执行指令以实现如权利要求1-9任一项所述的用于无人艇轨迹跟踪的自适应超螺旋滑模控制方法。

技术总结本发明涉及无人船技术领域，尤其涉及用于无人艇轨迹跟踪的自适应超螺旋滑模控制方法及系统，包括构建无人艇的三自由度数学模型，并在无人艇模型中引入包含风浪的不确定性干扰项，得到无人船实际轨迹；设置无人船双推进器的期望轨迹，分别计算双推进器的期望轨迹和实际轨迹的误差项，将误差项输入自适应超螺旋滑膜趋近律的轨迹跟踪控制器得到趋近律，利用趋近律输出无人船纵向推力和艏摇力矩；将无人船的纵向速度、横向速度、艏摇角速度和艏向角输入到轨迹跟踪控制器形成闭环反馈。本发明针对自适应增益方法存在自适应范围小、参数需要多次调整等问题，为提高无人艇的抗干扰能力，解决滑膜控制方法的抖振问题，使模型和推进器输出稳定的信号。技术研发人员：冯成涛,陈威,朱栋,储开斌,陶睿楠受保护的技术使用者：常州大学技术研发日：技术公布日：2024/6/18