一种基于虚拟输入的智能船舶自适应轨迹跟踪控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于虚拟输入的智能船舶自适应轨迹跟踪控制方法，属于智能船舶自动控制技术领域，包括：针对具有模型参数不确定、未知外部扰动影响的智能船舶，同时考虑执行器过度磨损情况，构建智能船舶运动控制模型；基于智能船舶运动控制模型，应用自适应反步法设计框架，引入虚拟输入概念，将船舶原始运动数学模型转化为标准级积分级联形式，线性表征不确定参数和外部扰动，通过自适应更新律在线估计未知参数，引入动态事件触发机制，减少执行器的机械磨损。该方法可有效降低控制器能量消耗，提高轨迹跟踪速度和精度。提高轨迹跟踪速度和精度。提高轨迹跟踪速度和精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于虚拟输入的智能船舶自适应轨迹跟踪控制方法


[0001]本专利技术属于智能船舶自动控制
，更具体地，涉及一种基于虚拟输入的智能船舶自适应轨迹跟踪控制方法。

技术介绍

[0002]智能船舶具有对横摇加速度的不可积约束，并且不可以直接转化为无漂移的链状结构；智能船舶运动控制系统属于二阶非完整约束的非线性系统，存在高度非线性、强耦合性、易受内部参数模型不确定性和外部扰动不确定性等特征；针对这些不确定性带来的问题，大量智能算法应用到智能船舶控制领域，其中包括：自适应控制、PID(Proportional Integral Derivative)控制、模糊自适应控制、神经网络自适应控制、自适应滑模控制等方法。
[0003]当前智能船舶轨迹跟踪设计大多采用状态反馈控制方案，该方法需要已知智能船舶运动状态的准确信息。但是，在实际工程实践中，智能船舶运动状态的信息收集存在多种多样的问题，无法获得完全准确的智能船舶运动状态信息，使得控制算法效果无法达到预期水平。因此，上述算法不能满足智能船舶轨迹跟踪的控制需求，不利于工程实践。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提出了一种基于虚拟输入的智能船舶自适应轨迹跟踪控制方法，以满足智能船舶轨迹跟踪的控制需求。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于虚拟输入的智能船舶自适应轨迹跟踪控制方法，包括：
[0006]S1：针对受参数不确定的智能船舶，构建智能船舶运动控制模型；
[0007]S2：基于智能船舶运动控制模型，线性表征不确定参数和外部扰动，基于智能船舶不确定参数和外部扰动的线性表征函数，应用自适应反步法设计框架，进行坐标代换；
[0008]S3：基于坐标代换，设计自适应轨迹跟踪控制器；
[0009]S4：基于自适应轨迹跟踪控制器，引入动态事件触发机制，设计动态事件触发条件。
[0010]在一些可选的实施方案中，步骤S1包括：
[0011]建立智能船舶运动控制模型，其表达式为：
[0012][0013][0014]f
u
＝(m
22
vr
‑
d
11
u)/m
11
[0015]f
v
＝(
‑
m
11
ur
‑
d
22
v)/m
22
[0016]f
r
＝((m
11
‑
m
22
)uv
‑
d
33
r)/m
33
[0017]其中，(x,y)和分别代表北东坐标系下的智能船舶位置和航向，向量[u,v,r]T
在智能船舶附体坐标系中分别代表前进速度u，横向速度v，艏摇角速度r；τ
u
,τ
r
分别代表的是前进力和艏摇力矩；m
11
,m
22
,m
33
为智能船舶惯性质量额外包括的水动力质量；d
11
,d
22
,d
33
代表的是流体动力阻尼系数；v
d,κ
(κ＝u,v,r)表示未知时变的海洋环境扰动对智能船舶造成的等效干扰力和力矩。
[0018]在一些可选的实施方案中，在步骤S2中，基于智能船舶运动控制模型，线性表征不确定参数和外部扰动，包括：
[0019]智能船舶实际轨迹η＝[x,y]T
，智能船舶参考轨迹为η
d
＝[x
d
,y
d
]T
，x
d
,y
d
表示参考轨迹的横纵坐标，针对智能船舶运动控制模型，得到智能船舶不确定参数单一化处理函数：其中，τ＝[τ
u
,r]T
，F
xy
＝[
‑
d
11
u/m
11
,d
22
v/m
22
]T
，，
[0020]定义χ1＝η，通过将原智能船舶运动控制模型被转化为标准积分级联的形式，H＝(m
11
‑
m
22
)uv/m
33
，∈(r)＝r/m
33
，g＝1/m
33
，d3＝τ
d,r
/m
33
。
[0021]在一些可选的实施方案中，在步骤S2中，基于智能船舶不确定参数和外部扰动的线性表征函数，应用自适应反步法设计框架，进行坐标代换，包括：
[0022]定义误差函数为s1，s2，s3，其中，s1＝χ1‑
χ
d
，s3＝r
‑
β，χ
d
＝η
d
，α、β分别为u和r方向的虚拟控制律，k
11
∈R2×2是设计的正定矩阵，是设计的正定矩阵，是设计的正定矩阵，且且s2＝[
‑
s
22
,s
21
]T
；
[0023]F
xy
是未知的，将F
xy
进行整理，得到令
Θ=[θ1,θ2]T
，ξ(z)＝diag[u/m
11
,v/m
22
]，得到F
xy
＝ξ(z)Θ。
[0024]在一些可选的实施方案中，步骤S3包括：
[0025]自适应更新律为：其中，Λ∈R2×2为设计正定对称矩阵，c1＞0为设计参数，是Θ的估计值；
[0026]由设计智能船舶轨迹跟踪控制律：k
22
∈R2×2是设计的正定矩阵；
[0027]自适应更新率律为：其中，ι＞0，c2＞0均为设计参数，参数，为设计的正定对称矩阵，是σ的估计值，σ为未知正常数向量；
[0028]设计智能船舶轨迹跟踪控制律设计智能船舶轨迹跟踪控制律设计智能船舶轨迹跟踪控制律其中，H＝(m
11
‑
m
22
)uv/m
33
，g＝1/m
33
，k3＞0为设计参数；
[0029]自适应更新律为：ρ＞0,B＞0,D＞0,c3＞0,c4＞0为设计参数，分别表示的估计值，为未知正常数向量。
[0030]在一些可选的实施方案中，步骤S4包括：
[0031]动态事件触发条件为：k∈N,i＝u,r，其中，a
i
和b
i
均为设计参数，N代表自然数集，R代表实数集；
[0032]动态变量为：q
i
(0)＝0，其中，p
i
＞0为设计参数，q
i
(0)为q
i...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于虚拟输入的智能船舶自适应轨迹跟踪控制方法，其特征在于，包括：S1：针对受参数不确定的智能船舶，构建智能船舶运动控制模型；S2：基于智能船舶运动控制模型，线性表征不确定参数和外部扰动，基于智能船舶不确定参数和外部扰动的线性表征函数，应用自适应反步法设计框架，进行坐标代换；S3：基于坐标代换，设计自适应轨迹跟踪控制器；S4：基于自适应轨迹跟踪控制器，引入动态事件触发机制，设计动态事件触发条件。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1包括：建立智能船舶运动控制模型，其表达式为：建立智能船舶运动控制模型，其表达式为：f
u
＝(m
22
vr
‑
d
11
u)/m
11
f
v
＝(
‑
m
11
ur
‑
d
22
v)/m
22
f
r
＝((m
11
‑
m
22
)uv
‑
d
33
r)/m
33
其中，(x，y)和分别代表北东坐标系下的智能船舶位置和航向，向量[u，v，r]
T
在智能船舶附体坐标系中分别代表前进速度u，横向速度v，艏摇角速度r；τ
u
，τ
r
分别代表的是前进力和艏摇力矩；m
11
，m
22
，m
33
为智能船舶惯性质量额外包括的水动力质量；d
11
，d
22
，d
33
代表的是流体动力阻尼系数；τ
d，κ
(κ＝u，v，r)表示未知时变的海洋环境扰动对智能船舶造成的等效干扰力和力矩。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤S2中，基于智能船舶运动控制模型，线性表征不确定参数和外部扰动，包括：智能船舶实际轨迹η＝[x，y]
T
，智能船舶参考轨迹为η
d
＝[x
d
，y
d
]
T
，x
d
，y
d
表示参考轨迹的横纵坐标，针对智能船舶运动控制模型，得到智能船舶不确定参数和外部扰动线性表征函数：其中，τ＝[τ
u
，r]
T
，F
xy
＝[
‑
d
11
u/m
11
，
‑
d
22
v/m
22
]
T
，，定义χ1＝η，通过将原智能船舶运动控制模型
被转化为标准积分级联的形式，H＝(m<...

【专利技术属性】
技术研发人员：马勇，吴一鑫，曹成，胡文韬，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：