具有预定跟踪精度与时间的船舶轨迹跟踪控制系统及方法

本发明涉及一种船舶轨迹跟踪控制系统及方法，具体涉及一种具有预定跟踪精度与时间的船舶轨迹跟踪控制系统及方法。

背景技术：

1、船舶由于其巨大的商业和军事价值，在控制理论和工程领域受到了广泛的关注。商业价值体现在海洋资料收集、资源勘探建设、水文环境调查等方面。军事应用包括情报、监视、侦察、水雷对抗措施和反潜战。其功能主要分为三类：动态定位、路径跟踪和轨迹跟踪。动态定位系统一般是指船舶在完全驱动的低速模式下的控制系统。目的是保持船舶的位置和航向在一个固定点或沿轨道规定的航路点。动态定位的典型应用包括管道铺设和油气勘探。近年来的研究主要集中在处理船舶系统中的模型不确定性和干扰，以提高控制性能。路径跟踪控制的目的是引导船舶(通常处于欠驱动模式)单独通过具有令人满意的速度剖面的预先分配的路径。在高速应用中，大多数船舶的摇摆方向不能直接驱动。因此，路径跟踪控制的第一个挑战在于船舶的欠驱动。通过回溯和lyapunov的直接方法，成功克服了这一挑战。轨迹跟踪是指船舶跟踪具有严格时间要求的时空轨迹，在海上导航应用中具有安全、减排、节能的重要意义。与路径跟踪相比，除了转向控制律外，还需要具体的速度律。目前，船舶的轨迹跟踪控制仍存在许多具有挑战性的问题。

技术实现思路

1、为了解决欠驱动船舶在模型不确定性、环境干扰和潜在执行器故障下的控制问题，以及神经网络、模糊逻辑系统或自适应技术等方案带来的计算负担问题，本发明提供了一种具有预定跟踪精度与时间的船舶轨迹跟踪控制系统及方法。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、一种具有预定跟踪精度与时间的船舶轨迹跟踪控制系统，包括期望轨迹输入pd、船舶的闭环系统，其中：

4、所述船舶的闭环系统包括反馈控制器c、船舶的模型p；

5、所述期望轨迹输入pd输入船舶的期望运动轨迹xd、yd；

6、所述船舶的闭环系统根据船舶的实际运动轨迹x减去船舶的期望运动轨迹xd，得到船舶的位置误差ex，船舶的闭环系统根据船舶的实际运动轨迹y减去船舶的期望运动轨迹yd，得到船舶的位置误差ey；

7、所述位置误差ex、ey经过反馈控制器c得到系统输入τu、τr，系统输入τu、τr作用于船舶的模型p，得到船舶的实际运动轨迹x、y。

8、一种具有预定跟踪精度与时间的船舶轨迹跟踪控制方法，包括以下步骤：

9、步骤(1)使用如下的非线性输出反馈系统，其形式为：

10、

11、

12、其中，(x，y)和ψ分别表示船舶在惯性系统中的位置和偏航角；η＝[u，v，r]t，u、v、r分别表示船舶的纵荡、横荡和艏摇速度；τu和τr分别表示系统输入；fu(η)、fv(η)和fr(η)表示非线性函数；du(t)、dv(t)和dr(t)表示是海风和海浪引起的有界环境扰动；gu和gr表示与船舶质量相关的未知正常数；

13、步骤(2)使用如下的执行器故障形式：

14、τi＝ρi(t)αi(t)+σi(t)，i＝u，r

15、其中，αi(t)，i＝u，r是要设计的命令控制信号；ρi(t)和σi(t)，i＝u，r分别表示乘法和加法执行器故障；

16、步骤(3)船舶轨迹跟踪控制系统的控制目标为系统输出x(t)、y(t)跟踪给定的期望运动轨迹xd(t)、yd(t)，位置误差被描述为：

17、ex(t)＝x(t)-xd(t)

18、ey(t)＝y(t)-yd(t)

19、位置误差可进一步被描述为：

20、z1＝||col(ex，ey)||

21、步骤(4)反馈控制器设计

22、步骤(41)设计边界函数φ(t)：

23、p(t)＝γ1φ(t)+γ2

24、

25、其中，γ1＞0、γ2＞0、tr＞0表示设计参数，并且γ1+γ2＝1；

26、步骤(42)设计辅助变量z2和ξ：

27、

28、

29、步骤(43)对位置误差进行转换，转换方式如下：

30、

31、

32、其中，ki表示控制器参数，且满足条件ki＞0；z3(t)和z4(t)为速度误差，z3(t)＝u-ud，z4(t)＝r-rd；

33、步骤(44)基于反步法设计过程，设计如下控制器：

34、ud(t)＝-c1sξβ1

35、rd(t)＝-c2sξβ2

36、αi(t)＝-cmβj i＝u，r，j＝3，4

37、其中，cm，m＝1，2，3，4表示控制器参数，且满足cm＞0；sξ＝sgn(ξ)；ud(t)和rd(t)表示虚拟控制率；

38、步骤(5)船舶轨迹跟踪控制

39、步骤(51)上位机输入期望运动轨迹xd(t)、yd(t)给船舶驱动器；

40、步骤(52)当船舶上的位置传感器检测到船舶的位置变化后，反馈位置信息给反馈控制器，反馈控制器接受到信号之后进行闭环运算并将运算结果给到驱动器，驱动器输出电流控制各个电机的出力和方向，以跟踪期望运动轨迹。

41、相比于现有技术，本发明具有如下优点：

42、1、本发明通过在约束处理方法中引入一种新的边界函数，保证了定位误差以固定的时间收敛速度收敛到指定集合。

43、2、本发明控制器设计不涉及虚拟控制信号导数的计算，也不依赖于与车辆动力学参数、干扰边界或故障特性相关的信息，没有使用辅助工具(如自适应技术、神经网络、观察者或过滤器)来收集这些信息，从而显著降低了结构的复杂性。

44、3、本发明解决了欠驱动船舶在模型不确定性、环境干扰和潜在执行器故障下的控制问题和神经网络、模糊逻辑系统或自适应技术等方案带来的计算负担问题。

技术特征：

1.一种具有预定跟踪精度与时间的船舶轨迹跟踪控制系统，其特征在于所述控制系统包括期望轨迹输入pd、船舶的闭环系统，其中：

2.一种利用权利要求1所述控制系统进行具有预定跟踪精度与时间的船舶轨迹跟踪控制方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

3.根据权利要求1所述的具有预定跟踪精度与时间的船舶轨迹跟踪控制方法，其特征在于所述z3(t)＝u-ud，z4(t)＝r-rd。

技术总结本发明公开了一种具有预定跟踪精度与时间的船舶轨迹跟踪控制系统及方法，所述控制系统包括期望轨迹输入、船舶的闭环系统，船舶的闭环系统包括反馈控制器、船舶的模型；期望轨迹输入输入船舶的期望运动轨迹，船舶的闭环系统根据船舶的实际运动轨迹减去船舶的期望运动轨迹，得到船舶的位置误差，位置误差经过反馈控制器得到系统输入，系统输入作用于船舶的模型，得到船舶的实际运动轨迹。本发明解决了欠驱动船舶在模型不确定性、环境干扰和潜在执行器故障下的控制问题和神经网络、模糊逻辑系统或自适应技术等方案带来的计算负担问题。技术研发人员：高席丰,李一帆,张晋熙,赵鹏越,刘欢,谭久彬受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学技术研发日：技术公布日：2024/7/15