【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及人工智能，尤其涉及一种考虑输入死区的无人船自适应动态规划航向跟踪控制方法。
技术介绍
1、近年来，随着人工智能的发展，无人水面船舶(unmanned surface vehicle,usv)日益成为航海领域的热门话题，在资源勘探、海岸监视、军事巡逻侦察等领域得到了广泛应用。无人船能安全高效的开展海上特殊作业，具有极高的研究价值。
2、由于风、浪、洋流等因素的影响，复杂海况给无人船航行带来了严峻的挑战。为了保证航行的安全和效率，无人船需要具备良好的航向跟踪能力。因此，航向跟踪对无人船至关重要，有必要进一步研究航向跟踪控制问题。而最优控制作为一种追求用最小代价获得最大奖励的先进控制理念，在基于人工智能的控制设计和构造智能系统中发挥重要作用，为船舶航行的智能化奠定了基础。然而，由于输入死区作为船舶舵机伺服液压系统不可避免地缺陷，会大大降低无人船的跟踪性能。因此，在设计航向跟踪控制器时，需要考虑输入死区对系统控制性能的影响。
技术实现思路
1、本专利技术提供一种考虑输入死区的无人船自适应动态规划航向跟踪控制方法，以克服上述技术问题。
2、为了实现上述目的，本专利技术的技术方案是：
3、一种考虑输入死区的无人船自适应动态规划航向跟踪控制方法，包括以下步骤：
4、s1：考虑海上无人船周围的海况信息获取带有不确定干扰项的无人船航向控制数学模型，并将无人船航向控制数学模型转换为二阶状态空间方程，所述二阶状态空间方程作为航向跟踪控制数学模
5、s2：对无人船舵机液压系统的死区模型进行线性化描述，并结合所述航向跟踪控制数学模型以构建考虑输入死区的航向跟踪控制数学模型；
6、s3：基于考虑输入死区的航向跟踪控制数学模型，采用反步法设计无人船的航向前馈控制器；
7、s4：基于所述航向前馈控制器，采用自适应动态规划方法设计无人船航向的最优控制器，以获取航向控制器；
8、s5：根据所述最优控制构建航向反馈自适应律，并根据所述航向控制器与航向反馈自适应律实现无人船自适应动态规划航向的跟踪控制。
9、进一步的，所述s1包括以下步骤：
10、s11：考虑海上无人船周围的海况信息获取带有不确定干扰项的无人船航向控制数学模型，所述无人船航向控制数学模型的表达式为
11、
12、式中：δ表示无人船舵角与航向控制系统的控制输入；δw表示由不确定环境干扰引起的等效舵角；φ表示无人船的航向角与自动舵的输出信号；k表示无人船舵增益操纵性指数；t表示为船舶操纵性的时间常数；α,β均表示为船舶艏摇角速度的非线性系数；表示φ的一阶导数；表示φ的二阶导数；
13、s12：令x1＝φ,且满足将无人船航向控制数学模型转换为二阶状态空间方程并，作为航向跟踪控制数学模型，所述航向跟踪控制数学模型的表达式为
14、
15、式中：d*表示不确定环境干扰的上界；ω表示rn的一个子集且为紧集；r表示所有实数集；rn表示所有实向量的n维欧式空间；u表示控制输入；x1表示无人船的航向角；x2表示无人船的艏角速度。
16、进一步的，所述s2包括以下步骤：
17、s21：构建无人船舵机液压系统的死区模型，所述死区模型的表达式为
18、
19、式中：v∈r表示死区输入信号；mr与ml表示死区的斜率；ar与al表示死区断点；mr,ml,ar,al均表示正常数；rm表示所有实向量的m维欧式空间；u(t)＝d(v)∈rm表示输入死区对无人船舵机液压系统的影响；
20、s22：对无人船舵机液压系统的死区模型进行线性化描述，以优化所述死区模型，优化的所述死区模型的表达式为
21、u(t)＝k(t)v(t)+d(t)
22、式中：且d(t)表示死区模型的有界干扰；表示死区模型输入v的上界；表示死区模型有界干扰d(t)的上界；
23、s23：定义参数变量m0＝min{ml,mr},m1＝max{ml,mr}，则获取参数关系
24、其中，ρ(t)表示分段且有界的函数，并满足
25、根据所述优化的死区模型结合所述参数关系获取最终的死区模型，所述最终的死区模型的表达式为
26、u(t)＝m0(1+ρ(t))v(t)+d(t)；
27、s24：根据所述航向跟踪控制数学模型与最终的死区模型，获取考虑输入死区的航向跟踪控制数学模型，所述考虑输入死区的航向跟踪控制数学模型的表达式为
28、
29、进一步的，所述s3包括以下步骤：
30、s31：根据考虑输入死区的航向跟踪控制数学模型，定义所述无人船的跟踪误差；
31、z1＝x1-yd，
32、z2＝x2-αs,
33、式中：yd为航向参考信号；αs为航向虚拟控制器；z1表示无人船设计的航向与航向参考信号之间的航向误差；z2表示无人船设计转艏角速度与期望转艏角速度之间的转艏角速度误差；
34、s32：基于所述无人船的跟踪误差，采用反步法设计无人船的航向前馈控制器；
35、第一步：构建第一个李雅普诺夫函数；
36、
37、根据所述第一个李雅普诺夫函数设计无人船的航向虚拟控制器，所述航向虚拟控制器的表达式为
38、
39、式中：c1表示控制设计参数；表示yd的一阶导数；
40、根据航向虚拟控制器对第一个李雅普诺夫函数求导得
41、
42、第二步：基于第一个李雅普诺夫函数构建第二个李雅普诺夫函数；
43、
44、s33：根据第二个李雅普诺夫函数与考虑输入死区的航向跟踪控制数学模型，构建前馈控制器为
45、
46、对所述第二个李雅普诺夫函数求导，并带入所述前馈控制器得到：
47、
48、进一步的，所述s4包括以下步骤：
49、s41：根据s33定义v(t)＝va+v*，
50、式中：v*表示通过自适应动态规划方法设计的最优控制器；λg表示g(x)的上界；λm表示m的上界；δ表示等价符号；va表示前馈控制器；v(t)表示航向控制器；
51、s42：考虑s33中的最后一项z2(f(x)+g(x)m0v*)，将带有输入死区影响的航向跟踪控制优化控制系统表示为
52、
53、式中：f(η(t))＝f(x),g(η(t))＝g(x)m0；f(.)表示定义的可微函数，且满足f(0)＝0；g(.)表示定义的有界控制矩阵，且有g(.)≤λg,λg表示正常数；
54、s43：定义所述航向跟踪控制优化控制系统的代价函数l(η)，所述代价函数l(η)的表达式为
55、
56、式中：η(t)表示优化控制输入；q(η)表示半正定的惩罚函数本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种考虑输入死区的无人船自适应动态规划航向跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种考虑输入死区的无人船自适应动态规划航向跟踪控制方法，其特征在于，所述S1包括以下步骤：
3.根据权利要求1所述的一种考虑输入死区的无人船自适应动态规划航向跟踪控制方法，其特征在于，所述S2包括以下步骤：
4.根据权利要求1所述的一种考虑输入死区的无人船自适应动态规划航向跟踪控制方法，其特征在于，所述S3包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的一种考虑输入死区的无人船自适应动态规划航向跟踪控制方法，其特征在于，所述S4包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的一种考虑输入死区的无人船自适应动态规划航向跟踪控制方法，其特征在于，所述S5包括以下步骤：
【技术特征摘要】
1.一种考虑输入死区的无人船自适应动态规划航向跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种考虑输入死区的无人船自适应动态规划航向跟踪控制方法，其特征在于，所述s1包括以下步骤：
3.根据权利要求1所述的一种考虑输入死区的无人船自适应动态规划航向跟踪控制方法，其特征在于，所述s2包括以下步骤：
4.根据...
【专利技术属性】
技术研发人员：白伟伟，王源豪，李朋，章文俊，杨雪，周翔宇，孟祥坤，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：
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