基于模糊自适应观测器的欠驱动水面艇轨迹跟踪控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于模糊自适应观测器的欠驱动水面艇轨迹跟踪控制系统。传感器模块采集水面艇的位置及航向信息y，输出给模糊自适应观测器；模糊自适应观测器接收控制器的输出，得到位置与艏向估计速度估计慢变扰动力估计和未知非线性项估计分别传送给轨迹跟踪误差生成器和控制器；导引系统解算得到船体坐标系下期望速度及加速度信息，分别传送给轨迹跟踪误差生成器和控制器；轨迹跟踪误差生成器得到轨迹跟踪各状态误差信息，传送给控制器；控制器计算出当前时刻的纵向推力和转艏力矩控制指令，传递给推力系统，推力系统执行控制指令。本发明专利技术能够仅有位置和艏向角可测且模型存在不确定性的情况下，能够实现快速跟踪。

【技术实现步骤摘要】
基于模糊自适应观测器的欠驱动水面艇轨迹跟踪控制系统
本专利技术属于欠驱动水面艇的轨迹跟踪控制系统，尤其涉及在无法获取系统精确模型且传感器仅提供位置测量的情况下，提出一种基于模糊自适应观测器的欠驱动水面艇轨迹跟踪控制系统。
技术介绍
随着人类对海洋的探索逐步深入，与海事航运业相关的研究处于蓬勃发展阶段，与船舶运动控制相关领域的研究更是倍受研究者的关注。欠驱动水面艇，是指控制输入向量空间的维数小于其自由度的一类船舶。目前，针对欠驱动水面艇的轨迹跟踪控制问题，已经有不少学者进行了研究。比较经典的方法是局部线性化和多变量模型的解耦，运用输出反馈、状态反馈、输出重定义、级联设计等思想，使控制输入向量空间的维数与系统自由度维数相等，借助于标准的线性或非线性控制方法来解决。Godhavn和Fossen在《Int.J.Adapt.ControlSignalProcess》1998年，12月刊发表的《Nonlinearadaptivebacksteppingdesignfortrackingcontrolofships》中，提出了一个连续时不变状态反馈控制器，在假设纵向引导速度恒为正的前提下，证明了该控制器位置跟踪全局指数稳定，但该控制结构使得船舶的航向不受控。2008年《AmericanControlConf》发表的《Slidingmodetrackingcontrolofsurfacevessels》，首次尝试采用滑模控制方法，解决具有参数不确定性的欠驱动水面艇轨迹跟踪鲁棒控制问题。但是，其理论推导过程存在疏漏，且以上介绍论文，都存在同一个问题，即假设系统的全状态信息可测，然而在实际系统中，通过传感器来测量系统全状态信息存在诸多限制因素。通过非线性观测器能够避免直接对系统速度项的测量，基于非线性观测器的水面船输出反馈控制问题，其难点主要是由于Coriolis向心力矩阵会引入的未测量速度交叉项。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种针对欠驱动水面艇仅有位置和艏向角可测且模型存在不确定性的情况下，基于模糊自适应观测器的欠驱动水面艇轨迹跟踪控制系统。本专利技术是通过以下技术方案实现的：基于模糊自适应观测器的欠驱动水面艇轨迹跟踪控制系统，包括传感器模块6、模糊自适应观测器7、导引系统23、轨迹跟踪误差生成器24、控制器18、推进系统3，导引系统23根据已知惯性坐标系下期望轨迹的位置信号，经过坐标变换解算得到船体坐标系下期望速度及加速度信息，分别传送给轨迹跟踪误差生成器24和控制器18；轨迹跟踪误差生成器24接收的模糊自适应观测器7输出的位置与艏向估计速度估计并与接收的期望速度及加速度信息对比得到轨迹跟踪各状态误差信息，传送给控制器18；控制器18还接收模糊自适应观测器7输出的位置与艏向估计速度估计慢变扰动力估计和未知非线性项估计并且控制器18根据接收的信息解算出纵向推力和转艏力矩控制指令，传递给模糊自适应观测器7和推力系统3，推力系统3执行控制指令；传感器模块6采集推力系统3执行控制指令后的水面艇的位置及航向信息y，输出给模糊自适应观测器7；模糊自适应观测器7根据接收的纵向推力和转艏力矩控制指令，结合传感器模块输出的位置和航向信息y，得到位置与艏向估计速度估计慢变扰动力估计和未知非线性项估计分别传送给轨迹跟踪误差生成器24和控制器18。本专利技术还可以包括：1、控制器18包括虚拟控制律模块19、轨迹跟踪滑膜控制模块20，虚拟控制律模块19接收期望速度及加速度信息和轨迹跟踪各状态误差信息，得到虚拟纵向跟踪速度和虚拟横向跟踪速度，传送给轨迹跟踪滑膜控制模块20；轨迹跟踪滑膜控制模块20根据接收到的虚拟纵向跟踪速度和虚拟横向跟踪速度、位置与艏向估计速度估计慢变扰动力估计和未知非线性项估计解算出纵向推力和转艏力矩控制指令，传送给推力系统。2、模糊自适应观测器7包括观测器模块8、模糊逻辑自适应模块9、观测器误差增益器12、类Riccat方程求解器17，观测器误差增益器12接收水面艇的位置及航向信息y和观测器模块8输出的位置与艏向估计高频扰动估计得到观测器增益K分别传送给观测器模块8、类Riccat方程求解器17；模糊逻辑自适应模块9接收水面艇的位置及航向信息y和观测器模块8输出的位置与艏向估计高频扰动估计得到未知非线性项估计传送给观测器模块8；类Riccat方程求解器17解算出观测器的输入矩阵B，传送给观测器模块8；观测器模块8根据接收的信息，解算出位置与艏向估计速度估计慢变扰动力估计和未知非线性项估计信息。3、虚拟控制律模块19得到的虚拟纵向跟踪速度和虚拟横向跟踪速度为：其中，(x,y)和(u,v)表示的位置和速度，(xd,yd)和(ud,vd)表示期望的位置和速度，和表示位置和速度的估计，位置和速度的误差为：xe＝x-xdye＝y-ydue＝u-udve＝v-vd轨迹跟踪滑膜控制模块20的轨迹纵向跟踪误差滑膜面和横向跟踪误差滑膜面函数为：S1＝c1xe+ue4、模糊自适应观测器7采用的观测器模型为：其中，K为观测器误差增益矩阵，为待估计未知非线性项，B为待设计输入矩阵；模糊逻辑自适应模块9选取参数自适应率为：其中Γ＝diag{γ1,γ2,…,γM}，γi＞0，k＞0，表示θf的初始估计值，未知非线性项的估计误差为则模糊逻辑自适应模块9选取模糊基函数为ζ(x)＝(ζ1(x),ζ2(x),…,ζM(x))T，其中：本专利技术的有益效果为：本专利技术的优点在于本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于模糊自适应观测器的欠驱动水面艇轨迹跟踪控制系统，其特征在于：包括传感器模块(6)、模糊自适应观测器(7)、导引系统(23)、轨迹跟踪误差生成器(24)、控制器(18)、推进系统(3)，导引系统(23)根据已知惯性坐标系下期望轨迹的位置信号，经过坐标变换解算得到船体坐标系下期望速度及加速度信息，分别传送给轨迹跟踪误差生成器(24)和控制器(18)；轨迹跟踪误差生成器(24)接收的模糊自适应观测器(7)输出的位置与艏向估计速度估计并与接收的期望速度及加速度信息对比得到轨迹跟踪各状态误差信息，传送给控制器(18)；控制器(18)还接收模糊自适应观测器(7)输出的位置与艏向估计速度估计慢变扰动力估计和未知非线性项估计并且控制器(18)根据接收的信息解算出纵向推力和转艏力矩控制指令，传递给模糊自适应观测器(7)和推力系统(3)，推力系统(3)执行控制指令；传感器模块(6)采集推力系统(3)执行控制指令后的水面艇的位置及航向信息y，输出给模糊自适应观测器(7)；模糊自适应观测器(7)根据接收的纵向推力和转艏力矩控制指令，结合传感器模块输出的位置和航向信息y，得到位置与艏向估计速度估计慢变扰动力估计和未知非线性项估计分别传送给轨迹跟踪误差生成器(24)和控制器(18)。...

【技术特征摘要】
1.基于模糊自适应观测器的欠驱动水面艇轨迹跟踪控制系统，其特征在于：包括传感器模块(6)、模糊自适应观测器(7)、导引系统(23)、轨迹跟踪误差生成器(24)、控制器(18)、推进系统(3)，导引系统(23)根据已知惯性坐标系下期望轨迹的位置信号，经过坐标变换解算得到船体坐标系下期望速度及加速度信息，分别传送给轨迹跟踪误差生成器(24)和控制器(18)；轨迹跟踪误差生成器(24)接收的模糊自适应观测器(7)输出的位置与艏向估计速度估计并与接收的期望速度及加速度信息对比得到轨迹跟踪各状态误差信息，传送给控制器(18)；控制器(18)还接收模糊自适应观测器(7)输出的位置与艏向估计速度估计慢变扰动力估计和未知非线性项估计并且控制器(18)根据接收的信息解算出纵向推力和转艏力矩控制指令，传递给模糊自适应观测器(7)和推进系统(3)，推进系统(3)执行控制指令；传感器模块(6)采集推进系统(3)执行控制指令后的水面艇的位置及航向信息y，输出给模糊自适应观测器(7)；模糊自适应观测器(7)根据接收的纵向推力和转艏力矩控制指令，结合传感器模块输出的位置和航向信息y，得到位置与艏向估计速度估计慢变扰动力估计和未知非线性项估计分别传送给轨迹跟踪误差生成器(24)和控制器(18)；所述的控制器(18)包括虚拟...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏国清，王国庆，赵昂，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23