本發(fā)明涉及船舶軌跡跟蹤控制，尤其涉及一種基于輸出重定義的自適應滑模船舶軌跡跟蹤控制方法。

背景技術：

1、隨著科學技術的發(fā)展，對海洋資源開發(fā)、運輸和勘探的需求日益增加。水面船舶作為一種經濟、有效的工具，在海洋工程中起著舉足輕重的作用。軌跡跟蹤控制是船舶運動控制中一種典型的控制任務，它可以使水面船舶跟蹤所需要的參考軌跡，幫助船舶管理者實時監(jiān)控船舶的位置，確保船舶安全航行，推動船舶的智能化發(fā)展。

2、實際中，船舶航行在海上會受到外部環(huán)境干擾，其具體表現為風浪流作用于船舶所導致的偏移、變速以及搖晃等情況，這便使得船舶難以準確跟蹤期望軌跡。同時，航行于海上的大多數商船均為欠驅動船舶，在橫向上缺乏控制輸入，進一步加大了軌跡跟蹤的難度。而目前處理欠驅動的方法有l(wèi)os制導、對橫向速度求導以獲得艏搖控制輸入等方法，但使用los需要對位置幾何關系進行轉換，較為繁瑣；且通過對橫向速度求導會導致計算量較大，較為復雜。因此，一直沒有一種較為簡單有效的方法去處理欠驅動問題，同時，隨著國家戰(zhàn)略的發(fā)展，節(jié)能降碳的理念逐漸深入人心，因此在滿足船舶軌跡跟蹤實際要求的同時，如何使控制輸入變小以及保證航行安全也是亟待解決的問題。

技術實現思路

1、本發(fā)明提供一種基于輸出重定義的自適應滑模船舶軌跡跟蹤控制方法，以克服現有船舶控制器存在的欠驅動問題以及滿足船舶軌跡跟蹤實際要求的同時，如何使控制輸入變小以及保證航行安全的技術問題。

2、為了實現上述目的，本發(fā)明的技術方案是：

3、一種基于輸出重定義的自適應滑模船舶軌跡跟蹤控制方法，具體步驟包括：

4、s1：建立欠驅動船舶數學模型，并使用輸出重定義方法對所述欠驅動船舶模型的位置進行重新定義；

5、s2：基于重新定義的所述欠驅動船舶數學模型的位置設計位置跟蹤誤差，并對所述位置跟蹤誤差進行求導，得到求導后的跟蹤誤差；

6、s3：根據位置跟蹤誤差以及求導后的跟蹤誤差設計第一線性滑模面和第二線性滑模面；

7、s4：基于所述第一線性滑模面和第二線性滑膜面并結合自適應技術設計欠驅動船舶數學模型的船舶縱向控制力和艏搖控制力矩；

8、s5：通過所述縱向控制力和艏搖控制力矩調整所述位置跟蹤誤差，使位置跟蹤誤差實現收斂，從而實現軌跡跟蹤。

9、進一步地，s1中，建立欠驅動船舶數學模型，并使用輸出重定義方法對所述欠驅動船舶模型的位置進行重新定義中，所述欠驅動船舶數學模型表示為：

10、

11、式中，x,y,ψ分別為船舶的縱向位移、橫向位移以及艏向角；u,v,r分別為船舶在附體坐標系下的前進速度、橫漂速度和艏搖角速度；τu為船舶縱向控制力，τr為艏搖控制力矩；m11,m22,m33為慣性參數；d11,d22,d33為水動力參數；τwu,τwv,τwr為由外界風、流、浪作用于船舶所引起的擾動；

12、使用輸出重定義方法對所述欠驅動船舶模型的位置進行重新定義，重新定義的所述欠驅動船舶數學模型的位置為：

13、

14、式中，x1和y1為重新定義之后的船舶的縱向坐標和橫向坐標，l為需設計的正參數。

15、進一步地，s2中，基于重新定義的所述欠驅動船舶數學模型的位置設計位置跟蹤誤差，并對所述船舶控制器的跟蹤誤差進行求導，得到求導后的跟蹤誤差，包括：

16、設計位置跟蹤誤差為：

17、

18、其中，ex和ey為縱向位置誤差以及橫向位置誤差；xd和yd為期望縱向位置和期望橫向位置；

19、對式(3)中的ex和ey進行二次求導，并結合式(1)和式(2)，可得：

20、

21、對式(4)進行如下變換：

22、

23、式中，f(x)和f(y)的表達式如式(6)所示：

24、

25、進一步地，s3中，根據位置跟蹤誤差以及求導后的跟蹤誤差設計第一線性滑模面和第二線性滑模面包括：

26、所述第一線性滑模面s1如式(7)所示：

27、

28、式中，λ1為需設計的正參數；

29、所述第二線性滑模面s2如式(8)所示：

30、

31、式中，λ2為需設計的正參數。

32、進一步地，s4中，基于所述第一線性滑模面和第二線性滑膜面并結合自適應技術設計欠驅動船舶數學模型的船舶縱向控制力和艏搖控制力矩的過程為：

33、對所述第一線性滑模面進行求導，并結合式(5)可得：

34、

35、對所述第二線性滑模面進行求導，并結合式(5)可得：

36、

37、令得到設計的船舶縱向控制力τu和艏搖控制力矩τr，表示為：

38、

39、式中，k1，k2，k3，k4為需設計的正參數，為μ1的估計值，為μ2的估計值，設計參數和的自適應律分別為：

40、

41、式中，η1，η2，σ1，σ2為正的設計參數。

42、有益效果：本發(fā)明通過對船舶位置進行重新定義，并設計位置跟蹤誤差，根據位置跟蹤誤差及其導數設計第一線性滑模面和第二線性滑模面；基于所述第一線性滑模面和第二線性滑膜面和自適應技術設計欠驅動船舶數學模型的船舶縱向控制力和艏搖控制力矩，以解決欠驅動問題；同時通過縱向控制力和艏搖控制力矩調整所述位置跟蹤誤差，使位置誤差實現收斂，從而實現軌跡跟蹤。

技術特征：

1.一種基于輸出重定義的自適應滑模船舶軌跡跟蹤控制方法，其特征在于，具體步驟包括：

2.根據權利要求1所述的基于輸出重定義的自適應滑模船舶軌跡跟蹤控制方法，其特征在于，s1中，建立欠驅動船舶數學模型，并使用輸出重定義方法對所述欠驅動船舶模型的位置進行重新定義中，所述欠驅動船舶數學模型表示為：

3.根據權利要求2所述的基于輸出重定義的自適應滑模船舶軌跡跟蹤控制方法，其特征在于，s2中，基于重新定義的所述欠驅動船舶數學模型的位置設計位置跟蹤誤差，并對所述船舶控制器的跟蹤誤差進行求導，得到求導后的跟蹤誤差，包括：

4.根據權利要求3所述的基于輸出重定義的自適應滑模船舶軌跡跟蹤控制方法，其特征在于，s3中，根據位置跟蹤誤差以及求導后的跟蹤誤差設計第一線性滑模面和第二線性滑模面包括：

5.根據權利要求4所述的基于輸出重定義的自適應滑模船舶軌跡跟蹤控制方法，其特征在于，s4中，基于所述第一線性滑模面和第二線性滑膜面并結合自適應技術設計欠驅動船舶數學模型的船舶縱向控制力和艏搖控制力矩的過程為：

技術總結
本發(fā)明公開了一種基于輸出重定義的自適應滑模船舶軌跡跟蹤控制方法，S1：建立欠驅動船舶數學模型，并對其位置進行重新定義；S2：設計位置跟蹤誤差，并對其進行求導；S3：根據位置跟蹤誤差以及求導后的跟蹤誤差設計第一線性滑模面和第二線性滑模面；S4：基于所述第一線性滑模面和第二線性滑膜面并結合自適應技術設計船舶縱向控制力和艏搖控制力矩；S5：通過縱向控制力和艏搖控制力矩調整位置跟蹤誤差，使位置跟蹤誤差實現收斂，從而實現軌跡跟蹤。本發(fā)明通過設計欠驅動船舶數學模型的船舶縱向控制力和艏搖控制力矩，以解決欠驅動問題；同時通過縱向控制力和艏搖控制力矩調整所述位置跟蹤誤差，能使得跟蹤誤差快速收斂，從而實現軌跡跟蹤。

技術研發(fā)人員：張顯庫,雷云松,章滬淦
受保護的技術使用者：大連海事大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/9