CN109407671B - 一种欠驱动无人船目标包围控制器结构及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种欠驱动无人船目标包围控制器结构及设计方法，所述的结构由位置计算单元、速度观测器、模糊逼近器、距离控制器、航向控制器和动力学控制器组成；所述的位置计算单元接收无人船状态和目标相对位置信息；速度观测器接收无人船速度信息，距离控制器接收给定围绕距离；动力学控制器与受控欠驱动无人船和模糊逼近器相连；所述模糊逼近器接收无人船状态信息。本发明实现了无人船对时变速度目标的包围控制。该控制器能够利用无人船状态和目标相对位置信息有效估计相对动态信息，并基于反步法设计控制律。控制器只利用角速度信号就可以实现目标包围控制，因此既适用于全驱动无人船，也适用于欠驱动无人船。

Description

一种欠驱动无人船目标包围控制器结构及设计方法

技术领域

本发明涉及水面无人船控制领域，尤其涉及一种针对欠驱动无人船的目标包围控制器结构及设计方法。这种控制方式在编队护航、海上巡逻和目标监视等任务中能够发挥重要的作用。

背景技术

水面无人船作为人类保护海洋和开发海洋的重要工具，凭借其无人化、小型化、智能化的优点，在军事、民用和科研领域得到广泛应用。在多种无人船控制方案中，点镇定、轨迹跟踪、路径跟踪和目标跟踪四种控制方式得到了较为普遍的关注和研究。而目标包围作为一种重要控制方式，在无人船中运动控制领域中成果较少。无人船目标包围控制是驱动无人船接近一个目标船并以期望的距离围绕该目标做圆周运动。这种控制方式在编队护航、海上巡逻和目标监视等任务中能够发挥重要的作用。因此，设计一种无人船目标包围控制器是十分有必要的。

在目标包围控制器设计中，国内外已经取得一些研究结果，如中国专利CN107065877A公开了一种基于相对位置的分布式编队球形包围追踪未知目标的方法，该方法包括如下步骤：

a)由运动体到目标和邻居的相对位置计算它到目标的距离，绕目标的纬度角和经度角以及与邻居间的相对纬度角和经度角；

b)在步骤a)的基础上进一步计算球面跟踪、纬向和经向编队误差，设计目标速率的一阶估计律；

c)由目标速率的一阶估计，设计运动体法向、经向和纬向上的期望速度；

d)由实际与期望速度间的速度误差及其导数，设计目标速率的二阶估计律；

e)由目标速率的两次估计和速度误差，设计运动体法向、经向和纬向控制力；

f)联列求解运动体的控制力输入。

该方法从控制器结构和控制器设计方面，存在以下不足：

第一，现有目标包围控制器很多是针对静止或缓慢移动的目标设计的，这类控制器不适用于包围快速、时变速度的移动目标。

第二，现有目标包围控制器大多是基于全驱动模型设计的，而实际大部分船舶模型为欠驱动，而且控制器没有考虑无人船运动过程中的横漂运动，因此不适用于欠驱动无人船运动控制。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种既适用于包围快速、时变速度的移动目标，又适用于欠驱动无人船运动控制的欠驱动无人船目标包围控制器结构及设计方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种欠驱动无人船目标包围控制器结构由位置计算单元、速度观测器、模糊逼近器、距离控制器、航向控制器和动力学控制器组成；所述的位置计算单元输入端接收无人船状态和目标相对位置信息；位置计算单元输出端分别与速度观测器、距离控制器和航向控制器的输入端相连；所述速度观测器另一输入端接收无人船速度信息，速度观测器输出端分别与距离控制器和航向控制器输入端相连；所述距离控制器输入端接收给定围绕距离；距离控制器输出端与航向控制器输入端相连；所述航向控制器输出端与动力学控制器输入端相连；所述动力学控制器另一输入端与模糊逼近器输出端相连；动力学控制器输出端与受控欠驱动无人船输入端和模糊逼近器输入端相连；所述模糊逼近器另一输入端接收无人船状态信息。

所述的目标满足下面的运动学模型：

其中：x_t,y_t,

分别代表地球参考系下目标在x、y轴上的位置及艏摇角信息；u_t,v_t,r_t∈R表示船体参考系下目标纵荡速度、横漂速度和艏摇角速度，R表示实数集。

所述的欠驱动受控无人船满足下面的运动学模型：

和动力学模型：

其中x,y,

分别代表地球参考系下受控无人船在x、y轴上的位置及艏摇角信息；u,v,r∈R表示船体参考系下受控无人船纵荡速度、横漂速度和艏摇角速度；m_u,m_v,m_r∈R是船体坐标系下无人船各方向惯性系数；f_u(·),f_v(·),f_r(·)∈R为无人船各方向的未知非线性函数；τ_wu(t),τ_wv(t),τ_wr(t)∈R代表时变风浪流在各方向对无人船造成的扰动，τ_u,τ_r∈R是所控欠驱动无人船的控制输入。

一种欠驱动无人船目标包围控制器的设计方法，包括以下步骤：

A、位置计算单元的设计

位置计算单元的输入信号为受控无人船位姿信息

和包围目标的位置信息x_t,y_t，作为观测器和控制器的输入，如下：

其中，ρ表示受控无人船与包围目标之间距离，β表示目标相对于无人船的视距角，η表示无人船艏向与视距垂线方向夹角，ρ_u,ρ_v表示无人船与目标在纵荡与横漂方向的相对距离。

B、速度观测器的设计

速度观测器的输入信号为受控无人船角速度r和计算环节输出ρ_u,ρ_v,η，观测器结构设计如下：

其中，

分别表示ρ_u,u_s,ρ_v,v_s,η,σ_η的估计值，k_i是观测器参数，k_i＞0,i＝1,...,6。

C、模糊逼近器的设计

模糊逼近器的输入信号为无人船速度信息u,r和动力学控制器输出τ_u,τ_r，设计原理基于模糊***逼近。

模糊***由模糊规则库、模糊化机构和解模糊化机构组成。令权值向量Ξ^T＝[Ξ₁,Ξ₂,...,Ξ_N]，以及函数β(χ)＝[β₁(χ),β₂(χ),...,β_N(χ)]^T，其中：

式中，

为成员函数，则模糊***表示为：

y(χ)＝Ξ^Tβ(χ) (7)

模糊逼近器由预估器和权值更新律两部分组成，其中预估器模块结构如下：

式中，

为m_u,m_r的近似值，

表示u,v,Ξ_u,Ξ_r的估计值，k₇,k₈是模糊逼近器参数，χ_u＝[u(t),u(t-t_d),τ_u]，χ_r＝[r(t),r(t-t_d),τ_r]。

权值更新律设计如下：

式中，Γ_u,Γ_r,

是权值更新参数。

D、距离控制器的设计

距离控制器的输入为给定距离和位置计算单元和速度观测器的输出，距离控制器设计基于视距导航方法，其结构为：

式中，ρ_e＝ρ-ρ_d表示距离误差，η_d为给包围角度信号，Δ为视距导航法的前视距离。

E、航向控制器的设计

航向控制器的输入为给定包围角和计算单元、速度观测器输出，航向控制器设计基于反步法，结构如下：

式中，η_e＝η-η_d表示包围角误差，r_d为给定角速度，k_r为航向控制器参数。

F、动力学控制器的设计

动力学控制器的输入为给定速度、给定角速度和模糊逼近器输出，动力学控制器设计基于反步法，结构如下：

式中，u_e＝u-u_d,r_e＝r-r_d表示速度误差和角速度误差，τ_u,τ_r是动力学控制器的输出信号，k_τu,k_τr为动力学控制器参数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

第一，与现有针对全驱动模型或平衡车模型设计的目标包围控制器相比，本发明设计的目标包围方法基于欠驱动无人船***，采用视距导航的指导方法，实现了横漂运动及外部环境扰动下欠驱动无人船的目标包围控制，拓展了无人船运动控制领域。

第二，与针对静止或已知速度的目标相比，本发明设计的目标包围方法基于未知、时变速度的目标，通过设计基于自抗扰原理的速度观测器，实现了受控无人船与包围目标相对速度的实时观测，扩大了目标包围方法的应用范围。

第三，与现有基于自适应神经网络估计方法相比，本发明通过设计基于预估器的模糊***逼近器，逼近如模型参数的不确定、流体动力学的未建模、风浪和洋流引起的外部干扰组成的未知非线性函数，有效解决了含有模型不确定性和未知环境扰动的状态观测问题，具有逼近时间短、暂态震荡小的优点，提高了目标包围的控制性能。

第四，综上所述，为解决现有技术存在的不足，本发明提出了一种基于视距导航制导的欠驱动无人船目标包围控制器结构及设计方法，实现了无人船对时变速度目标的包围控制。该控制器能够利用无人船状态和目标相对位置信息有效估计相对动态信息，并基于反步法设计控制律。控制器只利用角速度信号就可以实现目标包围控制，因此既适用于全驱动无人船，也适用于欠驱动无人船。

附图说明

图1是欠驱动无人船目标包围控制器结构示意图。

图2是欠驱动无人船目标包围运动轨迹仿真图。

图3是欠驱动无人船目标包围距离误差仿真图。

图4是欠驱动无人船目标包围纵荡速度误差仿真图。

图5是目标包围纵荡方向相对速度信息与速度观测器结果仿真图。

图6是目标包围横漂方向相对速度信息与速度观测器结果仿真图。

图7是目标包围艏摇方向未知函数与速度观测器结果仿真图。

图8是目标包围纵荡方向实际动力学不确定与模糊逼近器结果仿真图。

图9是目标包围艏摇方向实际动力学不确定与模糊逼近器结果仿真图。

图10是欠驱动无人船目标包围控制器纵荡方向输出信号仿真图。

图11是欠驱动无人船目标包围控制器艏摇方向输出信号仿真图。

具体实施方式

下面针对一个具体无人船进行目标包围控制，并以此为例对本发明进行进一步说明。图1为本发明的结构示意图，首先将受控无人船的运动学模型(2)和动力学模型(3)改写做：

其中：

无人船模型的具体参数选择如下：

包围目标速度为u_t＝0.2+0.5sin(πt/800)，r_t＝-0.01cos(πt/500)，控制目标设为ρ_d＝10,u_d＝1+0.1sin(t/10)，受控无人船与目标初始位置分别设为

和

采用目标包围控制器结构满足式(4)-(12)，具体控制参数选择如下：

k₁＝20,k₂＝100,k₃＝20,k₄＝100,k₅＝20,k₆＝100,k₇＝220,k₈＝220

Γ_u＝1000,

Γ_r＝500,

Δ＝5,k_r＝6,k_τu＝5,k_τr＝5,

仿真结果如图2-11所示。图2为欠驱动无人船目标包围运动轨迹图，可以看出受控无人船能够围绕时变速度目标运动；图3-4为无人船目标包围误差图，可以看出目标包围控制距离误差和速度误差均能在较短时间内收敛到零附近；图5-7为目标包围速度观测器结果与实际值比较，可以看出速度观测器能有效观测相对速度信息；图8-9为目标包围模糊逼近器结果与实际值的比较，可以看出模糊逼近器能够有效估计无人船运动学不确定函数；图10-11为目标包围控制器输出信号，表明输出信号有界。

由仿真结果可知，设计的欠驱动目标包围控制器能够准确、有效包围速度时变、未知的运动目标，同时其速度观测模块与模糊逼近模块能够有效估计未知相对速度和动力学不确定，满足设计目标。

本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种欠驱动无人船目标包围控制器结构，其特征在于：由位置计算单元、速度观测器、模糊逼近器、距离控制器、航向控制器和动力学控制器组成；所述的位置计算单元输入端接收无人船状态和目标相对位置信息；位置计算单元输出端分别与速度观测器、距离控制器和航向控制器的输入端相连；所述速度观测器另一输入端接收无人船速度信息，速度观测器输出端分别与距离控制器和航向控制器输入端相连；所述距离控制器输入端接收给定围绕距离；距离控制器输出端与航向控制器输入端相连；所述航向控制器输出端与动力学控制器输入端相连；所述动力学控制器另一输入端与模糊逼近器输出端相连；动力学控制器输出端与受控欠驱动无人船输入端和模糊逼近器输入端相连；所述模糊逼近器另一输入端接收无人船状态信息；

所述的目标满足下面的运动学模型：

其中：

分别代表地球参考系下目标在x、y轴上的位置及艏摇角信息；u_t,v_t,r_t∈R表示船体参考系下目标纵荡速度、横漂速度和艏摇角速度，R表示实数集；

所述的欠驱动受控无人船满足下面的运动学模型：

和动力学模型：

其中

分别代表地球参考系下受控无人船在x、y轴上的位置及艏摇角信息；u,v,r∈R表示船体参考系下受控无人船纵荡速度、横漂速度和艏摇角速度；m_u,m_v,m_r∈R是船体坐标系下无人船各方向惯性系数；f_u(·),f_v(·),f_r(·)∈R为无人船各方向的未知非线性函数；τ_wu(t),τ_wv(t),τ_wr(t)∈R代表时变风浪流在各方向对无人船造成的扰动，τ_u,τ_r∈R是所控欠驱动无人船的控制输入。

2.一种如权利要求1所述的欠驱动无人船目标包围控制器的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、位置计算单元的设计

位置计算单元的输入信号为受控无人船位姿信息

和包围目标的位置信息x_t,y_t，作为观测器和控制器的输入，如下：

其中，ρ表示受控无人船与包围目标之间距离，β表示目标相对于无人船的视距角，η表示无人船艏向与视距垂线方向夹角，ρ_u,ρ_v表示无人船与目标在纵荡与横漂方向的相对距离；

B、速度观测器的设计

速度观测器的输入信号为受控无人船角速度r和计算环节输出ρ_u,ρ_v,η，观测器结构设计如下：

其中，

分别表示ρ_u,u_s,ρ_v,v_s,η,σ_η的估计值，k_i是观测器参数，k_i＞0,i＝1,...,6；

C、模糊逼近器的设计

模糊逼近器的输入信号为无人船速度信息u,r和动力学控制器输出τ_u,τ_r，设计原理基于模糊***逼近；

模糊***由模糊规则库、模糊化机构和解模糊化机构组成；令权值向量Ξ^T＝[Ξ₁,Ξ₂,...,Ξ_N]，以及函数β(χ)＝[β₁(χ),β₂(χ),...,β_N(χ)]^T，其中：

式中，

为成员函数，则模糊***表示为：

y(χ)＝Ξ^Tβ(χ) (7)

模糊逼近器由预估器和权值更新律两部分组成，其中预估器模块结构如下：

式中，

为m_u,m_r的近似值，

表示u,v,Ξ_u,Ξ_r的估计值，k₇,k₈是模糊逼近器参数，χ_u＝[u(t),u(t-t_d),τ_u]，χ_r＝[r(t),r(t-t_d),τ_r]；

权值更新律设计如下：

式中，Γ_u,Γ_r,

是权值更新参数；

D、距离控制器的设计

距离控制器的输入为给定距离和位置计算单元和速度观测器的输出，距离控制器设计基于视距导航方法，其结构为：

式中，ρ_e＝ρ-ρ_d表示距离误差，η_d为给包围角度信号，Δ为视距导航法的前视距离；

E、航向控制器的设计

航向控制器的输入为给定包围角和计算单元、速度观测器输出，航向控制器设计基于反步法，结构如下：

式中，η_e＝η-η_d表示包围角误差，r_d为给定角速度，k_r为航向控制器参数；

F、动力学控制器的设计

动力学控制器的输入为给定速度、给定角速度和模糊逼近器输出，动力学控制器设计基于反步法，结构如下：

式中，u_e＝u-u_d,r_e＝r-r_d表示速度误差和角速度误差，τ_u,τ_r是动力学控制器的输出信号，k_τu,k_τr为动力学控制器参数。

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