一种无人艇的艏向抗扰控制方法

技术领域

本发明涉及无人艇艏向抗扰控制领域技术，具体是一种无人艇的艏向抗扰控制方法。

背景技术

无人艇(Unmanned Surface Vehicle,USV)的艏向稳定控制是保证USV完成路径跟踪、目标跟踪、集群运动等一些列复杂任务的前提。船舶的航行控制是一种典型的误差反馈控制结构，即以期望艏向和实际艏向的差值为调节因子通过反馈系统调节输出舵角，直至达到精度要求。

由于航行环境存在时变的海浪干扰，波浪引起的附加摇摆运动会使艏向操纵控制器频繁的操舵，长时间会减少舵机寿命、缩短无人艇续航能力以及降低整体航行控制效率。

上个世纪20年代，经典PID算法就以被应用于艏向控制制造出了自动舵，但其产生的波动、震荡以及超调会使操舵过于频繁。随着现代控制理论的成熟，许多新兴控制理论运用到船舶艏向抗扰控制中，如H

实际上，干扰和不确定性广泛性存在于USV的控制系统中，如:USV模型参数摄动，对象所处流体动力学未建模，风浪流对USV所产生的附加力以及艏向的高频变化和船体的低频横向漂移等都会对USV的运动产生不确定影响。为了解决USV的抗扰问题，部分学者采用主动抗扰的方式对干扰和不确定性进行抑制，使控制器在一定程度上实现了不依赖对象。其中较为经典的是自抗扰控制(active disturbance rejection control,ADRC)，它是由韩京清所提出，其核心思想是主动从被控系统的输出中提取扰动信息，在扰动明显影响到系统总输出前使用控制信号将其消除。

而经典的ADRC中完全舍弃了模型，用通用的非线性函数去估计系统的状态，这导致了系统参数发生摄动会对状态观测造成较大波动。

发明内容

本发明的目的在于解决由于航行环境存在时变的海浪干扰，波浪引起的附加摇摆运动会使艏向操纵控制器频繁的操舵，长时间会减少舵机寿命、缩短无人艇续航能力以及降低整体航行控制效率的问题，提供一种无人艇的艏向抗扰控制方法，对匹配海况具有较强的滤波效果，使舵机能够更加平滑的操舵，实现USV艏向的稳定，保证无人艇完成路径跟踪、目标跟踪、集群运动等一些列复杂任务，对外界干扰和参数摄动有很强的鲁棒性。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：

一种无人艇的艏向抗扰控制方法，包括如下步骤：

步骤一：在海浪干扰的情况下，测量无人艇的各项物理参数，得到无人艇艏向的二阶Nomoto非线性模型，基于所述二阶Nomoto非线性模型推导出存在海浪干扰时的船舶和舵机控制模型；

步骤二：将无人艇期望艏向角ψ

步骤三：传感器将当前无人艇艏向值ψ输入高增益扩张状态观测器，输出观测状态值：艏向角

步骤四：将高增益扩张状态观测器输出的艏向与角速度信息分别与二阶跟踪微分器输出的跟踪信号x

步骤五：向船舶和舵机控制模型输入控制系统期望舵角δ

进一步的，步骤一中所述存在海浪干扰时的船舶和舵机控制模型，为：

其中:

进一步的，所述二阶微分跟踪器的微分方程表示为：

fst(v

其中，v为期望艏向值，v

进一步的，

被观测的无人艇扩张状态表示为：

其中:x

式中：

进一步的，所述PD误差反馈控制器为：

其中，饱和函数sat(y)＝min{1,|y|}·sign(y)，x

本发明通过设计一种模型辅助的能够快速收敛的观测器，将经典ADRC和高增益观测器以及模型辅助的扩张状态观测器结合，解决了在干扰环境下存在的模型摄动导致的艏向抗扰控制精度问题，并且实现期望艏向的快速跟踪，使无人艇对外界干扰和参数摄动有很强的鲁棒性，对匹配海况具有较强的滤波效果，使舵机能够更加平滑的操舵，实现USV艏向的稳定在理论研究和工程领域都具有现实意义。

附图说明

图1是改进的自抗扰控制系统结构图；

图2是船舶艏向运动控制结构图；

图3是本发明实施例设模拟海浪主频率ω

图4是标称模型下无扰动的定值期望艏向角仿真试验，其中(a)是期望艏向角为30°下无外界干扰的三种控制器的艏向角控制效果，(b)是相应的操舵舵角输出；

图5中(a)是标称模型下模拟海浪干扰的定值期望艏向角仿真试验艏向角控制效果示意图，(b)是相应的操舵舵角输出；

图6标称模型下模拟海浪干扰的正弦期望艏向角仿真试验，其中(a)是期望艏向角为ψ

图7是摄动模型下模拟海浪干扰的定值期望艏向角仿真试验，设置参数摄动为K

图8为本发明的无人艇的艏向抗扰控制方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种无人艇的艏向抗扰控制方法，通过跟踪微分器对输入期望艏向角信号进行快速跟踪得到跟踪值，设计高增益扩张观测器对无人艇当前状态进行观测得到观测值，通过计算观测值与跟踪值的误差采用误差反馈控制率输出舵角期望值，并将观测器对总干扰的估计作为补偿，得到艏向抗扰控制律，按照以上步骤控制无人艇达到艏向抗扰效果。

如图1所示，本发明实施例设计一种无人艇艏向抗扰控制器，由三部分串联结构成，分别为二阶跟踪微分器、高增益扩张状态观测器和PD误差反馈控制器，所述的高增益扩张状态观测器中的高增益参数ε可以对内外扰动所扩张成的状态进行快速观测补偿，并通过PD误差反馈控制器实现控制律输出。

如图8所示，所述方法具体包括：

步骤一：在海浪干扰的情况下(如图3所示)，通过参数辨识等方式测量无人艇的各项物理参数，得到无人艇艏向的二阶Nomoto非线性模型，所述二阶Nomoto非线性模型是艏向响应模型，是用于描述舵角与艏向之间关系的微分方程，所描述的理想情况下没有干扰的船舶和舵机控制模型，然后基于所述二阶Nomoto非线性模型推导出存在海浪干扰时的船舶和舵机控制模型，即：

其中:

步骤二：将无人艇期望艏向角ψ

fst(v

其中，v为期望艏向值，v

步骤三：传感器将当前无人艇艏向值ψ输入高增益扩张状态观测器，输出观测状态值：艏向角

其中:x

式中：

其中传感器可以是惯性导航系统，内含磁力计，所述磁力计可以测量正北方向，从而计算得出无人艇艏向值ψ。

步骤四：将高增益扩张状态观测器输出的艏向响应系统的内部状态信息中艏向与角速度信息分别与跟踪微分器输出的期望艏向逼近量及其近似微分作差得到误差信号，将误差信号和观测所得总干扰信号输入PD误差反馈控制器，由PD误差反馈控制器输出控制系统期望舵角δ

其中，饱和函数sat(y)＝min{1,|y|}·sign(y)，x

步骤五：如图2所示，将执行机构(船舶和舵机控制模型)输入期望舵角δ

本发明针对在存在海浪干扰和参数摄动的无人艇艏向抗扰控制问题，提出了一种基于模型辅助的高增益扩张状态观测器的改进自抗扰控制方法，对该型艏向抗扰控制器进行仿真实验。图4-图7通过使用PID控制和非线性自抗扰控制作为对比在有干扰和无干扰的条件下进行仿真，例如：图7的摄动模型下模拟海浪干扰的定值期望艏向角控制，PID控制的最大波动量为8.14％，非线性自抗扰控制的最大波动量为4.8％，改进自抗扰控制的最大波动量为0.35％。通过对比可以看出，本发明设计的HGESO对海浪干扰具有较好的滤波特性，且可以实现在摄动模型下对USV状态的快速跟踪，使USV对外部扰动以及参数摄动具有较强的鲁棒性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。