结合反步法和自适应模糊方法的欠驱动水面船控制方法技术

本发明专利技术属于欠驱动水面船的镇定控制技术领域，具体涉及一种结合反步法和自适应模糊方法的欠驱动水面船控制方法。本发明专利技术利用全局微分同胚变换将欠驱动船舶系统的稳定性问题转换为两个子系统的稳定性问题，将反步法与自适应模糊方法结合设计基于自适应模糊镇定控制器。自适应模糊实现对未知项的逼近，自适应律可以根据被控对象的动态特性进行学习，因此可以实现对控制器参数的更新，具有更好的控制效果。本发明专利技术设计基于自适应模糊镇定控制器可以在干扰和模型不确定的情况下实现欠驱动水面船的位置镇定和姿态镇定,且可以在保证控制系统中所有的闭环信号一致有界的前提下使欠驱动水面船稳定在期望点，其暂态特性更好、抗干扰能力强，更符合实际需求。更符合实际需求。更符合实际需求。

【技术实现步骤摘要】
结合反步法和自适应模糊方法的欠驱动水面船控制方法


[0001]本专利技术属于欠驱动水面船的镇定控制
，具体涉及一种结合反步法和自适应模糊方法的欠驱动水面船控制方法。

技术介绍

[0002]欠驱动水面船舶运动控制的研究可以提高船舶航行的安全性。全驱动控制的船舶可能因为驱动机构的失效而在瞬间变为欠驱动系统，例如对操作性能要求较高的船舶一般配备的是全驱动控制系统，但是在高速航行时，水流以相对较高的流速穿过横向推进器的排水口，有一定的几率使横向推进器发生故障，从而导致事故的发生。但如果配备了欠驱动控制策略，即使横向推进器发生了故障，依旧可以使用剩下的推进器进行控制，提高了船舶的安全性。欠驱动船没有安装横向推进装置，无法像全驱动船那样通过横向推进器实现侧移运动。如果想实现欠驱动水面船的侧向移动，必须从距离期望点比较远的地方进行预先调整，从而到达期望位置。此外欠驱动船也无法像全驱动船一样直接补偿来自侧向的环境干扰，因此当欠驱动船在风、浪、流环境下特别容易受到干扰，只能通过纵向运动、艏摇运动实现间接控制。欠驱动水面船的镇定控制是指船舶在设计的控制律下通过螺旋桨推进器和舵的耦合控制稳定到期望状态且艏摇角速度、纵向速度、侧向速度都收敛到零。欠驱动船舶的自归航、自动靠泊等需要在海洋中保持船位或姿态的控制都属于镇定控制的范畴。因此研究欠驱动船的镇定控制方法具有非常重要的理论意义及实用价值。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种结合反步法和自适应模糊方法的欠驱动水面船控制方法。
[0004]本专利技术的目的通过如下技术方案来实现：包括以下步骤：
[0005]步骤1：通过位置参考系统获取欠驱动水面船的位置信息，通过姿态参考系统获取欠驱动水面船的姿态信息，对获取的欠驱动水面船的位置信息及姿态信息进行滤波及融合，得到精确位置及姿态η＝[x,y,ψ]T
；
[0006]步骤2：构造基于自适应模糊镇定控制器；
[0007]步骤2.1：对欠驱动水面船的三自由度的运动方程进行全局微分同胚变换和控制输入变换，得到新的状态方程；
[0008]在欠驱动水面船模型不确定的情况下，欠驱动水面船的三自由度的运动方程为：
[0009][0010][0011][0012][0013][0014][0015]其中，x，y，ψ是在惯性坐标系下船的位置和欧拉角，x表示纵荡，y表示横荡，ψ表示艏摇；u，v，r是在船体坐标系下船的速度，u表示纵荡速度，v表示横荡速度，r表示艏摇速度；τ1表示纵向推力；τ3表示转艏力矩；τ
w1
，τ
w2
，τ
w3
代表作用在水面船三个自由度上的干扰力和力矩；m表示欠驱动水面船的质量，I
z
表示欠驱动水面船绕Z
B
轴转动的转动惯量，表示欠驱动水面船纵向加速度产生的纵向附加质量系数，表示欠驱动水面船横向加速度产生的横向附加质量系数，表示欠驱动水面船艏向角加速度产生的艏向附加转动惯量系数；d
11
＝-X
u
，d
22
＝-Y
v
，d
33
＝-N
r
，X
u
表示欠驱动水面船纵向速度产生的纵向线性阻尼系数，Y
v
表示欠驱动水面船横向速度产生的横向线性阻尼系数，N
r
表示欠驱动水面船艏向角速度产生的艏向线性阻尼系数；h(η,ν)＝[h1(η,ν),h2(η,ν),h3(η,ν)]T
表示三个方向上的模型参数不确定向量；
[0016]对欠驱动水面船的三自由度的运动方程进行全局微分同胚变换：
[0017]z1＝xcosψ-ysinψ
[0018][0019]z3＝ψ
[0020][0021]z5＝v
[0022]z6＝r
[0023]对欠驱动水面船的三自由度的运动方程进行控制输入变换：
[0024][0025][0026]整理后得到新的状态方程为：
[0027][0028][0029][0030][0031][0032][0033]步骤2.2：由期望的位置及姿态与实际的位置及姿态做比较，并经过解算得到误差信号e1和e2；并利用反步法不断的反演，采用自适应模糊控制方法对未知时变环境扰动引起的未知项进行估计，得到理想模糊参数向量的估计值和
[0034][0035][0036]其中，Γ1和Γ3为设定的正定矩阵；σ1和σ3为设定的常数；
[0037]步骤2.3：构造基于自适应模糊镇定控制器；基于自适应模糊镇定控制器中欠驱动水面船的纵向推进力控制律τ1和转艏力矩控制律τ3为：
[0038][0039][0040][0041][0042]步骤3：基于自适应模糊镇定控制器对欠驱动水面船的纵向推进力和转艏力矩进行控制；根据自适应模糊镇定控制器的输出通过推力分配的方式改变推进器和舵机作用在欠驱动水面船的位置和转向，使欠驱动水面船镇定在期望位置。
[0043]本专利技术的有益效果在于：
[0044]本专利技术针对欠驱动船的镇定问题，以欠驱动水面船模型为基础，利用全局微分同胚变换将欠驱动船舶系统的稳定性问题，转换为两个子系统的稳定性问题，将反步法与自适应模糊方法结合设计基于自适应模糊镇定控制器。自适应模糊实现对未知项的逼近，自适应律可以根据被控对象的动态特性进行学习，因此可以实现对控制器参数的更新，具有更好的控制效果。本专利技术设计基于自适应模糊镇定控制器可以在干扰和模型不确定的情况下实现欠驱动水面船的位置镇定和姿态镇定,且可以在保证控制系统中所有的闭环信号一致有界的前提下使欠驱动水面船稳定在期望点，其暂态特性更好、抗干扰能力强，更符合实际需求。
附图说明
[0045]图1是本专利技术中基于自适应模糊镇定控制器的设计流程图。
[0046]图2是本专利技术中欠驱动水面船模型示意图。
[0047]图3是本专利技术中子系统示意图。
具体实施方式
[0048]下面结合附图对本专利技术做进一步描述。
[0049]本专利技术针对欠驱动船的镇定问题，提出一种结合反步法和自适应模糊方法的欠驱动水面船控制方法，把反步法过程简单且系统化、结构化的优点与自适应模糊鲁棒性好的优点结合设计出一种可以镇定位置和姿态的新型镇定控制器。模糊系统实现对干扰和不确定的逼近，自适应律可以根据被控对象的动态特性进行学习，因此可以实现对控制器参数的更新，具有更好的控制效果。保证控制系统中所有的闭环信号一致有界的前提下使欠驱动水面船稳定在期望点，同时暂态特性更好、抗干扰能力强，更符合实际需求。
[0050]一种结合反步法和自适应模糊方法的欠驱动水面船控制方法，按以下步骤进行：
[0051]步骤1：获取欠驱动水面船的位置和姿态参数：
[0052]欠驱动水面船的位置信息可以通过位置参考系统来测的，艏向姿态信息可以通过姿态参考系统来测得，对获取的欠驱动水面船的姿态及位置信号进行滤波本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种结合反步法和自适应模糊方法的欠驱动水面船控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：通过位置参考系统获取欠驱动水面船的位置信息，通过姿态参考系统获取欠驱动水面船的姿态信息，对获取的欠驱动水面船的位置信息及姿态信息进行滤波及融合，得到精确位置及姿态η＝[x,y,ψ]
T
；步骤2：构造基于自适应模糊镇定控制器；步骤2.1：对欠驱动水面船的三自由度的运动方程进行全局微分同胚变换和控制输入变换，得到新的状态方程；在欠驱动水面船模型不确定的情况下，欠驱动水面船的三自由度的运动方程为：在欠驱动水面船模型不确定的情况下，欠驱动水面船的三自由度的运动方程为：在欠驱动水面船模型不确定的情况下，欠驱动水面船的三自由度的运动方程为：在欠驱动水面船模型不确定的情况下，欠驱动水面船的三自由度的运动方程为：在欠驱动水面船模型不确定的情况下，欠驱动水面船的三自由度的运动方程为：在欠驱动水面船模型不确定的情况下，欠驱动水面船的三自由度的运动方程为：其中，x，y，ψ是在惯性坐标系下船的位置和欧拉角，x表示纵荡，y表示横荡，ψ表示艏摇；u，v，r是在船体坐标系下船的速度，u表示纵荡速度，v表示横荡速度，r表示艏摇速度；τ1表示纵向推力；τ3表示转艏力矩；τ
w1
，τ
w2
，τ
w3
代表作用在水面船三个自由度上的干扰力和力矩；m表示欠驱动水面船的质量，I
z
表示欠驱动水面船绕Z
B
轴转动的转动惯量，表示欠驱动水面船纵向加速度产生的纵向附加质量系数，表示欠驱动水面船横向加速度产生的横向附加质量系数，表示欠驱动水面船艏向角加速度产生的艏向附加转动惯量系数；d
11
＝-X

【专利技术属性】
技术研发人员：林孝工，刘叶叶，王楠珺，李恒，田伟达，赖冲浪，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：