一种基于预设性能的无人水面船对接控制方法

技术领域

本发明属于船舶运动控制技术领域。

背景技术

近些年来，海洋资源的开发越来越受到人们的重视，为此，各国都加大了对海洋装备的研发。在众多海洋工程装备中，无人水面船是一类低成本的，具有自主航行能力的海洋装备，由于其无人操作的特点，可以在有大量高重复度的工作或者不适合有人船只执行的任务中代替人工操作，具有很好的应用前景。

美国“海上列车”通过形成更长的等效平行中体以减小佛汝德数，从而降低兴波阻力，使其能够在恶劣海况下长距离航行，在抵达任务区域后分解执行任务，最后再组成“海上列车”返航。无人水面船的对接是指在组成“海上列车”的过程中，对接船可以快速准确地到达位于被对接船后面的期望对接点，从而顺利完成“列车”组建。

传统对接的基本思路是使用GPS获取对接船与被对接船的经纬度及艏向信息，通过操作人员遥控的方式控制对接船向被对接船靠近并进行对接。作为“海上列车”作业过程中必不可少的一部分，无人水面船的对接应尽可能安全、智能，因而在对接过程中，需要遵循运动学约束，保证对接船在一个安全的接近走廊内向被对接船逼近，同时在对接船到达期望位置时，艏向要与被对接船的艏向保持相同；此外，还需要遵循动力学约束，保证对接船与被对接船的相对速度始终保持在任务可允许的最大幅值之内。对接船在逼近操作过程中还需要满足机动时间、最大超调量及跟踪误差精度等方面的性能要求，因而在控制系统设计时要考虑暂稳态性能约束。

发明内容

本发明是为了保证无人水面船能够安全且智能的实现对接，现提供一种基于预设性能的无人水面船对接控制方法。

一种基于预设性能的无人水面船对接控制方法，具体包括：

在对接船向被对接船逼近的过程中向对接船施加运动学约束和动力学约束；

向位姿跟踪误差

将所述暂稳态性能约束整合到无人水面船闭环对接控制过程中，建立基于所述位姿跟踪误差

给定速度阶跟踪误差

基于所述误差转换函数构建障碍李雅普诺夫函数，并对该障碍李雅普诺夫函数求一阶导数，获得：

利用径向基函数神经网络逼近

设计自适应律对未知时变向量b进行估计，进而根据b的估计值

利用所述时变增益q(t)构建自适应对接控制律：

τ＝-q(t)Z

根据自适应对接控制律获得对接船的控制输入量τ，利用该控制输入量τ控制对接船完成无人水面船的对接控制；

以上公式中参数定义如下：

c

和

进一步的，以北东坐标系的原点为原点

位姿跟踪误差

在

在

定义期望对接点在被对接船质心后沿

进一步的，上述运动学约束包括接近路径约束和艏向调整约束，且表达式分别如下，

接近路径约束：

艏向调整约束：

在所述动力学约束下，各自由度下速度误差的允许集合

上述公式中参数定义如下：

为对接船与被对接船之间可允许的最大相对速度误差，/>

进一步的，上述向位姿跟踪误差

其中，

k

若

k

指定时间性能函数Γ(t)＝[Γ

其中，t为时间，j＝0,1,2,3,4，a

l

进一步的，上述滤波转换误差

其中，

滤波误差向量

中间变量

位置转换误差

为对接船与被对接船之间可允许的最大相对速度误差。

进一步的，上述障碍李雅普诺夫函数V

m

M为惯性矩阵，中间变量

中间变量

进一步的，上述参数不确定项L(·)表达式为：

其中，

M为惯性矩阵，

进一步的，上述利用径向基函数神经网络逼近

其中，

进一步的，上述自适应律

其中，c

进一步的，上述时变增益q(t)表达式为：

其中，∈为大于0且任意小的实数。

综上所述，一种基于预设性能的无人水面船对接控制方法采用的预设性能控制方法，在对接过程中引入了运动学约束及动力学约束，提高了无人水面船对接操作的安全性、智能性。同时，本发明还引入一类指定时间性能函数来构建性能边界，能够使跟踪误差在任务给定的指定时间收敛到零。

本发明所述的一种基于预设性能的无人水面船对接控制方法相对于现有技术有如下优点：

(1)本发明在无人水面船的对接过程引入了运动学约束，使得对接船能够在安全的接近走廊内向期望位置逼近，同时，视域约束能够保证对接船上的视觉敏感器正常工作。这提高了对接过程的安全性和智能性。

(2)本发明采用一类指定时间性能函数来构造性能边界，使得系统跟踪误差的收敛时间可以根据任务要求来确定，更具有实际工程意义。

(3)本发明采用鲁棒自适应技术设计对接控制器，使得系统在具有参数不确定性和外界未知干扰的情况下，仍能保证系统跟踪误差的瞬态性能与稳态性能始终保持在预设的性能边界内，从而确保对接任务安全顺利完成。

本发明适用于存在运动学约束和动力学约束的无人水面船对接控制系统。

附图说明

图1为参考坐标系示意图；

图2为接近走廊约束示意图；

图3为视域约束示意图；

图4为本发明设计方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

具体实施方式一：参照图1至图4具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于预设性能的无人水面船对接控制方法，首先，建立对接船的相对运动数学模型；然后，建立运动学约束、动力学约束的数学描述；接着，基于指定时间性能函数构造性能边界，并采用误差转换函数将性能边界整合到系统闭环控制中；最后，基于神经网络和鲁棒自适应技术设计控制律与自适应律。具体实施步骤如下：

第一步，如图1所示，以海上的任意一点为坐标原点

在北东坐标系下被对接船的位置矢量

在北东坐标系下对接船的位置矢量

对接船在纵荡、横荡、艏摇三自由度下的运动学与动力学模型如下：

其中：

各参数具体形式如下：

定义在

为在/>

是定义在

为在/>

通过对

为/>

将期望对接点定义在被对接船质心后沿

为/>

对接船位姿与期望位姿的位姿跟踪误差如下：

为在/>

通过对

其中：

υ

本实施方式中，给定对接船与被对接船之间的相对位置和相对速度的初始值分别为：

第二步，为保证无人水面船对接安全顺利完成，在对接船向被对接船逼近的过程中施加运动学和动力学约束。

运动学约束分为两个方面：相对位置跟踪和对接船艏向调整。一方面，对接船需要在一个安全走廊内向被对接船逼近，这一区域被称为接近路径约束，如图2所示；另一方面，为了能够更快速准确地完成两船的对接操作，对接船上装载的视觉敏感器(敏感器位于对接船质心上方，且视线指向与对接船的艏向重合)会实时监测两船之间的相对运动，为相对运动控制提供必要的反馈信息。为保证检测装置正常工作，需要调整视线指向使被对接船始终保持在敏感器视域范围内，并最终指向被对接船，这称为对接船的艏向调整约束，如图3所示。

为满足接近路径约束，应有如下关系式成立(对接过程中的接近路径约束)：

其中：

为满足艏向调整约束，应有如下关系式成立：

其中：敏感器视域的最大半开角

为视觉敏感器的视线指向与对接船和被对接船连线间的夹角；

θ可以通过

对于动力学约束，一方面体现在对接船与被对接船之间的相对速度不能超过任务可允许的线速度上限，即相对线速度约束；另一方面，考虑到对接过程中采用视觉敏感器辅助精确导航，为了较好地重叠图像块以保证对接任务能够顺利完成，需要将两船之间的相对角速度限定在视觉敏感器规格参数允许的最大值以下，这一约束即为相对角速度约束。

定义动力学约束下，各自由度下速度误差的允许集合

其中：

为了便于后续控制器设计，引入一个滤波误差向量

其中：

上述对

其中：

第三步，为保证对接过程能够快速安全进行，对

为了满足艏向调整约束，同样基于指定时间性能函数设计如下性能约束，

其中：其中：

k

若

k

Γ

其中：a

t

在实际工程中，相对艏向的调整要快于相对位置的调整，故Γ

本实施方式给定的性能参数如下表所示：

第四步，将第三步中的暂稳态跟踪性能约束整合到闭环系统设计中，获得位置误差转换函数：

其中，

由上式可知，只要ε

其中：0＜c

对V

其中，

为了稳定V

第五步，为了满足动力学约束，进行如下转换，获得基于滤波误差向量f的误差转换函数：

其中，

将

其中，

对V

上述公式中参数为：

k

第六步，对于控制系统中的参数不确定项L(·)，利用径向基函数神经网络逼近L(·)，有：

其中，已知向量

第九步，设计自适应律：

为未知时变向量b的估计值，估计误差为/>

根据自适应律

通过以上时变增益q(t)设计自适应对接控制律：

τ＝-q(t)Z

0＜c

∈＞0是一个任意小的实数，本实施方式取值∈＝0.1。

第六步，根据控制律获得对接船的控制输入量τ，并利用τ对对接船进行控制，实现无人水面船对接控制。

通过MATLAB仿真，可以得到基于二阶预设性能的无人水面船对接控制方法，可在存在参数不确定的情况下实现两船的对接任务，同时可以保持对接船在对接过程中严格遵守运动学约束、动力学约束以及暂稳态性能约束，并保证系统跟踪误差在根据任务要求设定的指定时间收敛到零。本方法具有较强的鲁棒性且能够有效提高对接过程的安全性和智能性。

首先，利用坐标系转换原理，在被对接船的平行坐标系下建立新的相对运动动力学模型；然后，对对接过程中的运动学约束和动力学约束进行数学描述；之后，引入一类指定时间性能函数设计系统跟踪误差的性能边界，并使用误差转换函数将暂稳态性能约束整合到闭环系统设计中；最后，基于神经网络和鲁棒自适应控制相结合的方法设计控制律，使无人水面船可以在存在模型参数不确定和未知干扰的情况下顺利完成对接任务，并始终满足运动学和动力学约束。所提出的控制方法可以根据任务要求来设定跟踪误差的收敛时间，提高了无人水面船对接过程的安全性及智能性。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。