【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及船舶控制，特别是涉及一种欠驱动无人船舶轨迹跟踪控制方法、产品、介质及设备。
技术介绍
1、船舶系统是一种具有二阶动力学约束的非完整的欠驱系统，不能通过设计连续定常反馈律渐近镇定船舶系统，这就使得船舶系统的控制问题成为一个极具挑战性的课题。已有研究人员利用时变控制法、滑模控制方法、坐标变换法、智能模糊逼近法等控制技术来控制船舶系统。
2、现有对船舶控制的研究主要集中在如下两种控制方法：一种是直接把船舶视为全驱系统而忽略其欠驱特性，此种方法不符合船舶实际特性因此控制精度不高；另一种方法是把船舶视为欠驱系统，然而目前对其镇定、调节、跟踪等问题的研究大都仅关注船舶位置的控制，通常忽略对船舶姿态(即偏航角)的控制，无法克服偏航角的零除现象，进而容易引起控制器出现脉冲信号，导致跟踪和镇定效果不佳。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种欠驱动无人船舶轨迹跟踪控制方法、产品、介质及设备，以提高船舶控制精度，达到良好的轨迹跟踪和镇定效果。
2、为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案。
3、一方面，本专利技术提供一种欠驱动无人船舶轨迹跟踪控制方法，包括：
4、实时获取船舶位置和姿态的动力学参数；所述动力学参数包括船舶位置(x,y)t、偏航角ψ、纵向运动速度u、横向运动速度v以及偏航角速度r；
5、根据动力学参数建立欠驱动无人船舶动力学模型、位置误差动力学模型以及姿态误差动力学模型；
6、基于欠驱动无人船舶动
7、基于期望全驱控制器设计通过atan3函数刻画的偏航角规划器，得到基于全驱控制表达的期望平动速度和期望偏航角；
8、基于期望偏航角和姿态误差动力学模型设计期望偏航角速度控制器以及内环偏航力矩控制器；
9、基于期望全驱控制器、外环推进力控制器、偏航角规划器、期望偏航角速度控制器以及内环偏航力矩控制器建立船舶跟踪控制器；
10、利用船舶跟踪控制器控制船舶推进力和偏航力矩，使船舶跟踪期望位置。
11、可选地，所述根据动力学参数建立欠驱动无人船舶动力学模型，具体包括：
12、根据动力学参数建立欠驱动无人船舶动力学模型
13、其中m1,m2,m3表示船舶惯性和附加质量效应确定的参数；d1,d2,d3表示水动力阻尼参数；f表示推进力，γ表示偏航力矩。
14、可选地，所述根据动力学参数建立位置误差动力学模型，具体包括：
15、针对期望位置p*＝(x*,y*)t和待设计的期望平动速度ud，引入位置误差和速度误差其中p＝(x,y)t；
16、经计算可得位置误差动力学模型其中μd为待设计的期望全驱控制；μ表示虚拟的位置控制；
17、
18、n(ψd)＝(cosψd,sinψd)t；ψd为待设计的期望偏航角。
19、可选地，所述根据动力学参数建立姿态误差动力学模型，具体包括：
20、针对偏航角规划器规划出的期望偏航角ψd和待设计的期望偏航角速度rd，引入姿态误差和偏航角速度误差
21、经计算可得姿态误差动力学模型
22、
23、可选地，所述基于欠驱动无人船舶动力学模型和位置误差动力学模型设计期望全驱控制器以及外环推进力控制器，具体包括：
24、基于欠驱动无人船舶动力学模型和位置误差动力学模型设计出期望全驱控制器以及外环推进力控制器其中cp,cv,d均为正的设计参数；n(ψ)＝(cosψ,sinψ)t。
25、可选地，所述基于期望全驱控制器设计通过atan3函数刻画的偏航角规划器，得到基于全驱控制表达的期望平动速度和期望偏航角，具体包括：
26、引入期望全驱控制μd∈r2，其对应存在一个期望偏航角ψd∈r和一个期望平动速度ud∈r，且三者满足关系式μd＝s(ud,v)n(ψd)；其中
27、当获得期望全驱控制μd后，通过反向求解得出以及其中
28、将二维向量n(ψd)的第一个分量和第二个分量分别记作n1(t)和n2(t)，则借助于atan3函数计算出期望偏航角ψd(t)＝atan3(n2(t),n1(t))。
29、可选地，所述基于期望偏航角和姿态误差动力学模型设计期望偏航角速度控制器以及内环偏航力矩控制器，具体包括：
30、基于期望偏航角ψd和姿态误差动力学模型设计期望偏航角速度控制器以及内环偏航力矩控制器其中cψ,cr均为正的设计参数。
31、另一方面，本专利技术提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现所述欠驱动无人船舶轨迹跟踪控制方法的步骤。
32、另一方面，本专利技术还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现所述欠驱动无人船舶轨迹跟踪控制方法的步骤。
33、再一方面，本专利技术提供一种计算机设备，包括：存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序以实现所述欠驱动无人船舶轨迹跟踪控制方法的步骤。
34、根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：
35、一方面，现存研究中，通常用atan,atan2函数表示姿态控制，无法避免零除现象，该现象容易导致控制器脉冲信号的产生。针对该问题，本专利技术方法在atan2函数的基础上，提出了atan3函数，结合坐标旋转和切换求解动点幅角技术，设计了基于函数切换的具有良好解析性质的偏航角规划器，彻底解决了现存研究中存在的技术障碍，有效提高了船舶控制精度。再一方面，在现有理论研究中，船舶跟踪的信号来自于参考模型的输出，其中包括位置和姿态的信息。但是在现实中，跟踪目标中往往仅包含位置信息(如直接由导航给出的路径)，这就需要控制器具有能够实时规划参考姿态的机动性。本专利技术设计的偏航角规划器提高了控制器的机动性，同时规划器的引入使得不必直接控制船舶的姿态，进而把对船舶的控制转化为对位置的全驱控制。本专利技术控制方法不依赖于零状态可检测性质，且在远离平衡点处具有较强的鲁棒性，但接近平衡点受拓扑障碍的影响鲁棒性降低。基于必然等价原理，能在全参数都未知的极端情形下，设计自适应控制，仍能获得良好的跟踪和镇定效果。
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1.一种欠驱动无人船舶轨迹跟踪控制方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的欠驱动无人船舶轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述根据动力学参数建立欠驱动无人船舶动力学模型，具体包括：
3.根据权利要求2所述的欠驱动无人船舶轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述根据动力学参数建立位置误差动力学模型，具体包括：
4.根据权利要求3所述的欠驱动无人船舶轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述根据动力学参数建立姿态误差动力学模型，具体包括：
5.根据权利要求4所述的欠驱动无人船舶轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述基于欠驱动无人船舶动力学模型和位置误差动力学模型设计期望全驱控制器以及外环推进力控制器，具体包括：
6.根据权利要求5所述的欠驱动无人船舶轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述基于期望全驱控制器设计通过atan3函数刻画的偏航角规划器，得到基于全驱控制表达的期望平动速度和期望偏航角，具体包括：
7.根据权利要求6所述的欠驱动无人船舶轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述基于期望偏航角和姿态误差动力学模型设计期望偏航角速度控
8.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-7中任一项所述欠驱动无人船舶轨迹跟踪控制方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-7中任一项所述欠驱动无人船舶轨迹跟踪控制方法的步骤。
10.一种计算机设备，包括：存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序以实现权利要求1-7中任一项所述欠驱动无人船舶轨迹跟踪控制方法的步骤。
...【技术特征摘要】
1.一种欠驱动无人船舶轨迹跟踪控制方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的欠驱动无人船舶轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述根据动力学参数建立欠驱动无人船舶动力学模型，具体包括：
3.根据权利要求2所述的欠驱动无人船舶轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述根据动力学参数建立位置误差动力学模型，具体包括：
4.根据权利要求3所述的欠驱动无人船舶轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述根据动力学参数建立姿态误差动力学模型，具体包括：
5.根据权利要求4所述的欠驱动无人船舶轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述基于欠驱动无人船舶动力学模型和位置误差动力学模型设计期望全驱控制器以及外环推进力控制器，具体包括：
6.根据权利要求5所述的欠驱动无人船舶轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述基于期望全驱控制器设计通过atan3函数刻画的偏航角规...
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