一种氢燃料电池无人船的轨迹跟踪控制方法、系统及设备技术方案

本发明专利技术公开了一种氢燃料电池无人船的轨迹跟踪控制方法、系统及设备，本方法设计氢燃料电池无人船的纵荡速度虚拟控制律和横荡速度虚拟控制律；基于纵荡速度虚拟控制律和横荡速度虚拟控制律，计算纵荡速度跟踪误差和横荡速度跟踪误差；采用反正切函数改进指数趋近率，获得反正切变参数趋近律；根据纵荡速度跟踪误差、横荡速度跟踪误差和反正切变参数趋近律，设计纵向推力滑模控制律和艏摇力矩滑模控制律；基于纵向推力滑模控制律和艏摇力矩滑模控制律，计算得到左舷推进器转速和右舷推进器转速；根据左舷推进器转速和右舷推进器转速，对氢燃料电池无人船进行轨迹跟踪控制。本发明专利技术能够提高轨迹跟踪的精度，提高轨迹跟踪控制的稳定性。稳定性。稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种氢燃料电池无人船的轨迹跟踪控制方法、系统及设备


[0001]本专利技术涉及无人船轨迹跟踪
，尤其是涉及一种氢燃料电池无人船的轨迹跟踪控制方法、系统及设备。

技术介绍

[0002]目前国内外学者对于氢燃料电池无人船的轨迹跟踪问题先后开展了诸多研究。有人针对氢燃料电池无人船(Hydrogen Fuel Cells Unmanned Surface Vessel，HFCUSV)轨迹跟踪问题提出了基于事件触发的模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)方法，并验证了其有效性，该方法较好地解决了环境扰动问题，但是在建立模型时没能考虑系统的不确定性。有人设计了一种基于准无限时域的MPC轨迹跟踪控制器，并在控制器中融入了终端惩罚函数，通过直线、正弦曲线轨迹仿真验证了该控制器的适用性、稳定性。然而，惩罚函数的引入，会增大系统的计算量。还有人采用MPC控制方法设计了轨迹跟踪控制器，然而，采用MPC需要求解非线性规划问题，存在计算量大、难以使控制系统稳定的问题。

技术实现思路

[0003]本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术提出一种氢燃料电池无人船的轨迹跟踪控制方法、系统及设备，能够提高轨迹跟踪的精度，提高轨迹跟踪控制的稳定性。
[0004]第一方面，本专利技术实施例提供了一种氢燃料电池无人船的轨迹跟踪控制方法，所述氢燃料电池无人船的轨迹跟踪控制方法包括：
[0005]设计氢燃料电池无人船的纵荡速度虚拟控制律和横荡速度虚拟控制律；r/>[0006]基于所述纵荡速度虚拟控制律和所述横荡速度虚拟控制律，计算纵荡速度跟踪误差和横荡速度跟踪误差；
[0007]采用反正切函数改进指数趋近率，获得反正切变参数趋近律；
[0008]根据所述纵荡速度跟踪误差、所述横荡速度跟踪误差和所述反正切变参数趋近律，设计纵向推力滑模控制律和艏摇力矩滑模控制律；
[0009]基于所述纵向推力滑模控制律和所述艏摇力矩滑模控制律，计算得到左舷推进器转速和右舷推进器转速；
[0010]根据所述左舷推进器转速和所述右舷推进器转速，对所述氢燃料电池无人船进行轨迹跟踪控制。
[0011]与现有技术相比，本专利技术第一方面具有以下有益效果：
[0012]本方法通过设计氢燃料电池无人船的纵荡速度虚拟控制律和横荡速度虚拟控制律，基于纵荡速度虚拟控制律和横荡速度虚拟控制律，计算纵荡速度跟踪误差和横荡速度跟踪误差，设计的纵荡速度虚拟控制律和横荡速度虚拟控制律能够用于稳定位置误差；采用反正切函数改进指数趋近率，获得反正切变参数趋近律，根据纵荡速度跟踪误差、横荡速度跟踪误差和反正切变参数趋近律，设计纵向推力滑模控制律和艏摇力矩滑模控制律，采
用反正切函数改进传统指数趋近率，能够避免出现滑模抖振，提高轨迹跟踪控制的稳定性；基于纵向推力滑模控制律和艏摇力矩滑模控制律，计算得到左舷推进器转速和右舷推进器转速，根据左舷推进器转速和右舷推进器转速，对氢燃料电池无人船进行轨迹跟踪控制，采用纵向推力滑模控制律和艏摇力矩滑模控制律来获得用于对氢燃料电池无人船进行轨迹跟踪控制的左舷推进器转速和右舷推进器转速，能够提高轨迹跟踪的精度。
[0013]根据本专利技术的一些实施例，所述设计氢燃料电池无人船的纵荡速度虚拟控制律和横荡速度虚拟控制律，包括：
[0014]获取氢燃料电池无人船的位置和期望轨迹位置，并根据所述氢燃料电池无人船的位置和所述期望轨迹位置，计算得到跟踪位置误差；
[0015]基于所述跟踪位置误差，引入反正切函数，设计所述氢燃料电池无人船的运动学回路控制器的所述纵荡速度虚拟控制律和所述横荡速度虚拟控制律为：
[0016][0017]其中，α
u
表示纵荡速度虚拟控制律，α
v
表示横荡速度虚拟控制律，R
T
(ψ)表示航向角ψ的矩阵，表示所述期望轨迹位置的横坐标导数，表示所述期望轨迹位置的纵坐标导数，β
x
和β
y
表示饱和常数，k
x
和k
y
表示所述运动学回路控制器的增益，x
e
表示所述期望轨迹位置的横坐标，y
e
表示所述期望轨迹位置的纵坐标。
[0018]根据本专利技术的一些实施例，通过如下方式获得反正切变参数趋近律：
[0019][0020]其中，ε1和k1表示设计参数，表示反正切变参数趋近律，s表示滑模面。
[0021]根据本专利技术的一些实施例，通过如下方式设计纵向推力滑模控制律和艏摇力矩滑模控制律，包括：
[0022]设计所述纵向推力滑模控制律为：
[0023][0024]设计所述艏摇力矩滑模控制律为：
[0025][0026]其中，τ
u
表示纵向推力滑模控制律，m表示质量，Y
(
·
)
、X
(
·
)
和N
(
·
)
表示氢燃料电池无人船水动力相关参数，v表示横荡速度，表示横荡速度导数，u表示纵荡速度，表示纵荡速度导数，r表示艏摇角速度，表示艏摇角速度导数，h
u
表示纵荡速度的非线性水动力阻尼，Δf
u
表示纵荡速度的不确定项，表示纵荡速度虚拟控制律导数，u
e
表示纵荡速度跟踪误差，τ
du
表示纵向推力的外部环境干扰，λ1、λ2、ε1、k1、ε2和k2表示设计参数，s1表示纵向推力的滑模面，τ
r
表示艏摇力矩滑模控制律，I
z
表示惯性矩，α
u
表示纵荡速度虚拟控制律，表示Q
的导数，的导数，表示所述期望轨迹位置的横坐标二阶导数，表示所述期望轨迹位置的纵坐标二阶导数，表示期望轨迹位置的横坐标导数，表示所述期望轨迹位置的纵坐标导数，ψ表示航向角，表示横荡速度的二阶导数，h
r
表示艏摇角速度的非线性水动力阻尼，Δf
r
表示艏摇力矩的不确定项，τ
dr
表示艏摇力矩的外部环境干扰，s2表示艏摇力矩的滑模面。
[0027]根据本专利技术的一些实施例，在设计纵向推力滑模控制律和艏摇力矩滑模控制律之后，所述氢燃料电池无人船的轨迹跟踪控制方法还包括：
[0028]采用最小学习参数对RBF神经网络进行优化，获得优化后的RBF神经网络；
[0029]采用所述优化后的RBF神经网络对所述纵向推力滑模控制律和所述艏摇力矩滑模控制律中的不确定项进行估计：
[0030][0031]其中，Δf表示不确定项，Δf＝[Δf
u
,Δf
v
,Δf
r
]T
，W
T
表示所述RBF神经网络的权值，h(Z)表示高斯基函数向量，表示逼近误差，R表示的欧式范数，Γ＝||W
T
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氢燃料电池无人船的轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述氢燃料电池无人船的轨迹跟踪控制方法包括：设计氢燃料电池无人船的纵荡速度虚拟控制律和横荡速度虚拟控制律；基于所述纵荡速度虚拟控制律和所述横荡速度虚拟控制律，计算纵荡速度跟踪误差和横荡速度跟踪误差；采用反正切函数改进指数趋近率，获得反正切变参数趋近律；根据所述纵荡速度跟踪误差、所述横荡速度跟踪误差和所述反正切变参数趋近律，设计纵向推力滑模控制律和艏摇力矩滑模控制律；基于所述纵向推力滑模控制律和所述艏摇力矩滑模控制律，计算得到左舷推进器转速和右舷推进器转速；根据所述左舷推进器转速和所述右舷推进器转速，对所述氢燃料电池无人船进行轨迹跟踪控制。2.根据权利要求1所述的氢燃料电池无人船的轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述设计氢燃料电池无人船的纵荡速度虚拟控制律和横荡速度虚拟控制律，包括：获取氢燃料电池无人船的位置和期望轨迹位置，并根据所述氢燃料电池无人船的位置和所述期望轨迹位置，计算得到跟踪位置误差；基于所述跟踪位置误差，引入反正切函数，设计所述氢燃料电池无人船的运动学回路控制器的所述纵荡速度虚拟控制律和所述横荡速度虚拟控制律为：其中，α
u
表示纵荡速度虚拟控制律，α
v
表示横荡速度虚拟控制律，R
T
(ψ)表示航向角ψ的矩阵，表示所述期望轨迹位置的横坐标导数，表示所述期望轨迹位置的纵坐标导数，β
x
和β
y
表示饱和常数，k
x
和k
y
表示所述运动学回路控制器的增益，x
e
表示所述期望轨迹位置的横坐标，y
e
表示所述期望轨迹位置的纵坐标。3.根据权利要求1所述的氢燃料电池无人船的轨迹跟踪控制方法，其特征在于，通过如下方式获得反正切变参数趋近律：其中，ε1和k1表示设计参数，表示反正切变参数趋近律，s表示滑模面。4.根据权利要求2所述的氢燃料电池无人船的轨迹跟踪控制方法，其特征在于，通过如下方式设计纵向推力滑模控制律和艏摇力矩滑模控制律，包括：设计所述纵向推力滑模控制律为：设计所述纵向推力滑模控制律为：设计所述艏摇力矩滑模控制律为：
其中，τ
u
表示纵向推力滑模控制律，m表示质量，Y
(
·
)
、X
(
·
)
和N
(
·
)
表示氢燃料电池无人船水动力相关参数，v表示横荡速度，表示横荡速度导数，u表示纵荡速度，表示纵荡速度导数，r表示艏摇角速度，表示艏摇角速度导数，h
u
表示纵荡速度的非线性水动力阻尼，Δf
u
表示纵荡速度的不确定项，表示纵荡速度虚拟控制律导数，u
e
表示纵荡速度跟踪误差，τ
du
表示纵向推力的外部环境干扰，λ1、λ2、ε1、k1、ε2和k2表示设计参数，s1表示纵向推力的滑模面，τ
r
表示艏摇力矩滑模控制律，I
z
表示惯性矩，α
u
表示纵荡速度虚拟控制律，表示Q的导数，数，表示所述期望轨迹位置的横坐标二阶导数，表示所述期望轨迹位置的纵坐标二阶导数，表示期望轨迹位置的横坐标导数，表示所述期望轨迹位置的纵坐标导数，ψ表示航向角，表示横荡速度的二阶导数，h
r
表示艏摇角速度的非线性水动力阻尼，Δf
r
表示艏摇力矩的不确定项，τ
dr
表示艏摇力矩的外部环境干扰，s2表示艏摇力矩的滑模面。5.根据权利要求1所述的氢燃料电池无人船的轨迹跟踪控...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘林，肖敏，禹远，
申请(专利权)人：武汉理工大学三亚科教创新园，
类型：发明
国别省市：