【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及无人船运动控制，特别是一种无人船无模型抗干扰动态控制器。
技术介绍
1、随着科学技术进步和海洋事业发展，无人船作为一种新型的海洋装备，获得了广泛的应用和发展。无人船相比有人操作的船舶，具有体积小、造价低、使用灵活、适应恶劣环境等显著优势，可完成有人船舶无法完成的任务，广泛应用于海洋资源探测、海洋环境监测、海底地形测绘、海岸巡视等领域，在维护海洋权益、开发海洋资源中发挥着重要作用。
2、近年来，随着控制算法的进步，无人船自动驾驶、自主航行的关键技术也取得长足发展。为实现无人船的高精度自主控制，各类运动控制算法蓬勃发展，多数无人船控制方法需要基于精确模型参数信息或部分的模型参数信息。然而获得无人船精确的模型参数信息需要通过大量的实验测试和数据收集，研究人员投入大量时间和资源来获取船体水动力参数、识别环境扰动因素、确定质量分布与转动惯量、分析执行机构特性等，并通过重复实验和海试，对模型中的关键参数进行辨识和修正。少数无人船控制方法能做到不依赖模型信息，如基于强化学习的控制方法等，但此类控制方法计算量较大，不易于工程实现。
3、总结而言，现有无人船运动控制方法存在以下问题：
4、第一，现有的无人船运动控制方法大多依赖或部分依赖无人船数学模型，然而无人船精确建模十分困难，需要投入大量的实验测试和数据收集来获取精确的船舶模型参数。
5、第二，现有的基于数据驱动的无人船运动控制方法虽然无需模型参数信息，但是往往依赖大量的历史数据信息，控制器整体结构较为复杂，实时计算负荷较大，不易于
6、第三，现有的无人船运动控制器大多需要制导模块与动力学模块配合使用，控制器设计步骤较为复杂，值得进一步探索简洁实用的无人船运动控制器设计方法。
技术实现思路
1、鉴于现有技术的不足，本专利技术提供一种无人船无模型抗干扰动态控制器，不依赖无人船的模型信息，仅基于无人船的位置和航向反馈，直接输出舵角和推力来驱动无人船高精度跟踪轨迹。
2、本专利技术采用的技术手段如下：
3、一种无人船无模型抗干扰动态控制器，包括：用于获取无人船位置和航向反馈的扩张状态观测器模块以及用于根据参考轨迹控制无人船运动的动力学控制模块；所述扩张状态观测器模块包括位置估计单元、速度估计单元以及总扰动估计单元；所述动力学控制模块包括跟踪误差计算单元、速度误差计算单元、微分单元、积分单元以及无模型动力学控制器；其中：
4、所述位置估计单元的第一输入端口连接无人船的位置与航向输出、第二输入端口连接速度估计单元的第一输出端；
5、所述速度估计单元的第一输入端口连接无人船的位置与航向输出、第二输入端口连接位置估计单元的输出端、第三输入端口连接总扰动估计单元的输出端；
6、所述总扰动估计单元的第一输入端口连接无人船的位置与航向输出、第二输入端口连接位置估计单元的输出端；
7、所述跟踪误差计算单元的第一输入端口连接无人船的位置与航向输出、第二输入端口连接参考轨迹输出；
8、所述微分单元得到输入端口连接参考轨迹输出；
9、所述速度误差计算单元的第一输入端口连接所述微分单元的输出端口、第二输入端口连接速度估计单元的第二输出端口；
10、所述无模型动力学控制器的第一输入端口连接速度误差计算单元的输出端口、第二输入端口连接跟踪误差计算单元的输出端口、第三输入端口连接总扰动估计单元的输出端口；
11、所述积分单元的输入端口连接无模型动力学控制器的输出端口，输出端口连接无人船控制力矩输入端口。
12、较现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
13、第一，与现有依赖模型信息的无人船运动控制方法相比，本专利技术设计了无人船无模型动态控制方法，仅利用船体的位置和航向反馈设计控制器，实现了无人船高精度跟踪。
14、第二，与现有基于数据驱动的无人船运动控制方法相比，本专利技术设计的无模型动态控制器不依赖大量的历史数据信息，仅依赖当前的位置和航向信息，计算量大幅减小，有利于工程实现。
15、第三，与现有基于制导与控制模块的无人船运动控制方法相比，本专利技术采用一体化的设计思路，不再单独设计轨迹/路径跟踪的制导率，降低了控制器的设计难度和计算复杂度。
16、综上所述，本专利技术可应用于无模型信息的无人船，并能实现无人船的精确轨迹跟踪控制，解决了现有无人船运动控制器依赖模型信息以及控制结构复杂的问题，显著减少了计算负荷、易于工程实现，本专利技术的控制器设计思路也可推广应用到其他需要高精度运动控制的无人机器人领域。
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1.一种无人船无模型抗干扰动态控制器，其特征在于，包括：用于获取无人船位置和航向反馈的扩张状态观测器模块以及用于根据参考轨迹控制无人船运动的动力学控制模块；所述扩张状态观测器模块包括位置估计单元、速度估计单元以及总扰动估计单元；所述动力学控制模块包括跟踪误差计算单元、速度误差计算单元、微分单元、积分单元以及无模型动力学控制器；其中：
2.根据权利要求1所述的一种无人船无模型抗干扰动态控制器，其特征在于，所述位置估计单元模型如下：
3.根据权利要求1所述的一种无人船无模型抗干扰动态控制器，其特征在于，所述速度估计单元模型如下：
4.根据权利要求1所述的一种无人船无模型抗干扰动态控制器，其特征在于，所述总扰动估计单元模型如下：
5.根据权利要求1所述的一种无人船无模型抗干扰动态控制器，其特征在于，所述跟踪误差计算单元模型如下：
6.根据权利要求1所述的一种无人船无模型抗干扰动态控制器，其特征在于，所述速度误差计算单元模型如下：
7.根据权利要求1所述的一种无人船无模型抗干扰动态控制器，其特征在于，所述无模型动力学
8.根据权利要求1所述的一种无人船无模型抗干扰动态控制器，其特征在于，所述微分单元模型如下：
9.根据权利要求1所述的一种无人船无模型抗干扰动态控制器，其特征在于，所述积分单元模型如下：
...【技术特征摘要】
1.一种无人船无模型抗干扰动态控制器，其特征在于，包括：用于获取无人船位置和航向反馈的扩张状态观测器模块以及用于根据参考轨迹控制无人船运动的动力学控制模块；所述扩张状态观测器模块包括位置估计单元、速度估计单元以及总扰动估计单元；所述动力学控制模块包括跟踪误差计算单元、速度误差计算单元、微分单元、积分单元以及无模型动力学控制器；其中：
2.根据权利要求1所述的一种无人船无模型抗干扰动态控制器，其特征在于，所述位置估计单元模型如下：
3.根据权利要求1所述的一种无人船无模型抗干扰动态控制器，其特征在于，所述速度估计单元模型如下：
4.根据权利要求1所述的一种无人船无模型抗干...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘陆，杨旷宇，冯浩，彭周华，古楠，王安青，王浩亮，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：
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