一种海面全驱动船舶的自适应跟踪控制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种带有输出约束的海面全驱动船舶的自适应跟踪控制方法及系统，所述方法包括：获取海面全驱动船舶系统动态模型；接收用户设定的期望目标轨迹和输出约束条件，其中，所述输出约束条件包括轨迹误差和船舶横荡速度误差；根据所述输出约束条件和全驱动船舶系统动态模型，计算船舶控制参数并输出至船舶控制系统。基于本发明专利技术的控制方法，能够精确控制船舶的运动轨迹误差，保证船舶按照给定的目标轨迹运动。

An Adaptive Tracking Control Method and System for Fully Driven Ships on Sea Surface

The invention discloses an adaptive tracking control method and system for a full-drive marine system with output constraints, which includes acquiring the dynamic model of the full-drive marine system, receiving the desired target trajectory and output constraints set by the user, in which the output constraints include trajectory error and ship swaying speed error, and according to the output constraints strip. The dynamic model of the whole-drive ship system calculates the ship control parameters and outputs them to the ship control system. The control method based on the present invention can accurately control the trajectory error of a ship and ensure that the ship moves according to a given target trajectory.

【技术实现步骤摘要】
一种海面全驱动船舶的自适应跟踪控制方法及系统
本专利技术属于船舶自动控制
，尤其涉及一种海面全驱动船舶的自适应跟踪控制方法及系统。
技术介绍
随着海洋资源的发展和海洋运输的快速发展，对船舶运动控制提出了更高的要求。船舶运动控制的目的是提高船舶的自动化和智能化水平，从而有效地保证船舶在航行过程中的安全、经济和舒适性。海面船舶如果配备有主推进器(螺旋桨)、舵单元和侧推进器，则是全驱动系统。另一方面，传统水面船舶只安装有主推进器和舵单元，控制船舶的前进速度和航向角。由于船体没有推进器，利用螺旋桨产生的纵向推进和舵产生的转矩来控制船舶水平位置和船艏航向角三个自由度的运动。因此，这种船舶控制系统属于欠驱动系统。相比较海面欠驱动船舶系统，海面全驱动船舶系统受到的关注较少。现有技术研究了全驱动船舶系统的自适应机动控制设计。针对一类具有不确定性和未知扰动的全驱动水面船舶，采用前馈逼近法，现有技术提出了轨迹跟踪控制方法。针对一类具有输出约束和不确定性的全驱动海面船舶系统，利用非对称障碍李雅普诺夫函数和神经网络方法，现有技术提出了一种轨迹跟踪控制策略。针对惯性矩阵和阻尼矩阵为对角矩阵或非对角矩阵的欠驱动船舶系统，现有技术主要解决了镇定和跟踪控制算法。针对随机激励下的对角欠驱动水面船舶系统，现有技术主要考虑路径跟踪控制方法。在实际应用中，系统输出常常会受到一定的运动限制。例如，在实际工作中，由于起重机系统的物理约束，台车轨道长度是一定的。从安全角度出发，人们设计的控制方法应能够将台车控制在设定界内运行，避免台车超出运行范围，而与轨道边界发生激烈碰撞,造成安全事故.因此，在最近几年里，输出受限控制得到了广泛的关注。针对具有输出约束的海面全驱动船舶系统，虽然现有技术提出了跟踪控制方法，但是专利技术人发现这些控制方法仅能保证跟踪误差信号收敛到有界区域内，并不能保证跟踪误差信号收敛到零，从而限制了目前技术的实际应用效果。另一方面，如果系统动态模型中有些参数的准确信息不能量测，现有技术还不能给出未知参数的估计方法。
技术实现思路
为克服上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种带有输出约束的海面全驱动船舶的自适应跟踪控制方法及系统，能够精确控制船舶的运动轨迹误差，保证船舶按照给定的目标轨迹运动。为实现上述目的，本专利技术的一个或多个实施例提供了如下技术方案：一种带有输出约束的海面全驱动船舶的自适应跟踪控制方法，包括以下步骤：获取海面全驱动船舶系统动态模型；接收用户设定的期望目标轨迹和输出约束条件，其中，所述输出约束条件包括轨迹误差和船舶横荡速度误差；根据所述输出约束条件和全驱动船舶系统动态模型，计算船舶控制参数并输出至船舶控制系统。进一步地，计算船舶控制参数前，还接收用户设定的初始化参数，所述初始化参数包括：船舶在大地坐标系下的位置坐标和艏摇角、船舶的纵向速度，横荡速度以及艏摇角速度。进一步地，所述海面全驱动船舶系统动态模型为：其中向量η＝[η1,η2,η3]T＝[x,y,ψ]T，v＝[v1,v2,v3]＝[u,υ,r]T，(x,y)和ψ分别表示船舶在大地坐标系下的位置坐标和艏摇角，u，υ，r分别代表船舶的纵向速度，横荡速度以及艏摇角速度，J(η)是非奇异的转换矩阵，τ表示系统的控制输入向量，M是正定对称惯性矩阵，C(v)是中心和哥氏力矩矩阵，D(v)是阻尼矩阵。进一步地，设定的所述轨迹误差包括船舶的位置坐标和艏摇角误差。进一步地，船舶控制输入参数的计算公式为：其中，Ji(z1)表示非奇异转换矩阵J(z1)的第i行，是不确定常数向量θ的在线估计，其中γ∈R3×3为正定对称矩阵；z1表示状态运动轨迹，e1＝[e11,e12,e13]T＝z1-ηd表示轨迹误差，z2表示横档速度，e2＝[e21,e22,e23]T＝z2-μ表示船舶横荡速度误差；为退化矩阵，σ(i)为自定义的符号函数；ai,bi,i＝1,2,3为设定的轨迹误差，满足：-b1≤x(t)-xd(t)≤a1，-b2≤y(t)-yb(t)≤a2，-b3≤ψ(t)-ψd(t)≤a3，其中，x(t)、y(t)和ψ(t)分别表示状态运动轨迹中t时刻的船舶在大地坐标系下的横纵坐标和艏摇角，xd(t)、yd(t)和ψd(t)分别表示目标轨迹中t时刻的船舶在大地坐标系下的横纵坐标和艏摇角。进一步地，自适应律估计为：其中，Γ为正定对称矩阵。一个或多个实施例提供了一种带有输出约束的海面全驱动船舶的自适应跟踪控制系统，包括：模型获取模块，获取海面全驱动船舶系统动态模型；参数自定义模块，接收用户设定的期望目标轨迹和输出约束条件，其中，所述输出约束条件包括轨迹误差和船舶横荡速度误差；控制参数求解模块，根据所述输出约束条件和全驱动船舶系统动态模型，计算船舶控制参数并输出至船舶控制系统。一个或多个实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的带有输出约束的海面全驱动船舶的自适应跟踪控制方法。一个或多个实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现所述的带有输出约束的海面全驱动船舶的自适应跟踪控制方法。以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：本专利技术针对一类受输出约束的全驱动海上船舶系统，提供了自适应轨迹跟踪控制方法，实现了跟踪误差信号在不超出设定运动范围的前提下，能够渐近收敛到零，同时对船舶系统的未知参数能够实现在线估计。附图说明构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。图1为本专利技术一个或多个实施例中控制方法的流程图；图2为基于本专利技术控制方法进行仿真的轨迹跟踪误差响应图；图3为基于本专利技术控制方法进行仿真的船舶纵向速度，横荡速度以及艏摇角速度响应图；图4为基于本专利技术控制方法进行仿真的未知参数的自适应律响应图；图5为基于本专利技术控制方法进行仿真的未知参数的船舶控制输入响应图。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本专利技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本专利技术所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本专利技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。实施例一本实施例公开了一种带有输出约束的海面全驱动船舶的自适应跟踪控制方法，包括以下步骤：步骤1：获取海面全驱动船舶系统动态模型；海面全驱动船舶系统的动态方程描述为：其中向量η＝[η1,η2,η3]T＝[x,y,ψ]T，v＝[v1,v2,v3]＝[u,υ,r]T，(x,y)和ψ分别表示船舶在大地坐标系下的位置坐标和艏摇角，u，υ，r分别代表船舶的纵向速度，横荡速度以及艏摇角速度，τ表示系统的控制输入向量，M是正定对称惯性矩阵，其具体的表达式为：中心和哥氏力矩矩阵C(v)定义为：其中m代表船体质量，xg表示附加质量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种带有输出约束的海面全驱动船舶的自适应跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：获取海面全驱动船舶系统动态模型；接收用户设定的期望目标轨迹和输出约束条件，其中，所述输出约束条件包括轨迹误差和船舶横荡速度误差；根据所述输出约束条件和全驱动船舶系统动态模型，计算船舶控制参数并输出至船舶控制系统。

【技术特征摘要】
1.一种带有输出约束的海面全驱动船舶的自适应跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：获取海面全驱动船舶系统动态模型；接收用户设定的期望目标轨迹和输出约束条件，其中，所述输出约束条件包括轨迹误差和船舶横荡速度误差；根据所述输出约束条件和全驱动船舶系统动态模型，计算船舶控制参数并输出至船舶控制系统。2.如权利要求1所述的一种带有输出约束的海面全驱动船舶的自适应跟踪控制方法，其特征在于，计算船舶控制参数前，还接收用户设定的初始化参数，所述初始化参数包括：船舶在大地坐标系下的位置坐标和艏摇角、船舶的纵向速度，横荡速度以及艏摇角速度。3.如权利要求2所述的一种带有输出约束的海面全驱动船舶的自适应跟踪控制方法，其特征在于，所述海面全驱动船舶系统动态模型为：其中向量η＝[η1,η2,η3]T＝[x,y,ψ]T，v＝[v1,v2,v3]＝[u,υ,r]T，(x,y)和ψ分别表示船舶在大地坐标系下的位置坐标和艏摇角，u，υ，r分别代表船舶的纵向速度，横荡速度以及艏摇角速度，J(η)是非奇异的转换矩阵，τ表示系统的控制输入向量，M是正定对称惯性矩阵，C(v)是中心和哥氏力矩矩阵，D(v)是阻尼矩阵。4.如权利要求1所述的一种带有输出约束的海面全驱动船舶的自适应跟踪控制方法，其特征在于，设定的所述轨迹误差包括船舶的位置坐标和艏摇角误差。5.如权利要求1所述的一种带有输出约束的海面全驱动船舶的自适应跟踪控制方法，其特征在于，船舶控制输入参数的计算公式为：其中，Ji(z1)表示非奇异转换矩阵J(z1)的第i行，是不确定常数向量θ的在线估计，其中γ∈R3×3为正定对称矩阵；z1表示状态运动轨迹，e1＝[e11,e12,e13]T＝z1-ηd表示轨迹...

【专利技术属性】
技术研发人员：张中才，程文莉，武玉强，曹佃国，孙玉亮，
申请(专利权)人：曲阜师范大学，
类型：发明
国别省市：山东,37