本發(fā)明涉及船舶運動控制研究，尤其涉及一種考慮輸入延遲的固定時間路徑跟蹤控制方法。

背景技術(shù)：

1、在實際船舶控制任務(wù)中，為了追蹤實時變化的期望航線，控制系統(tǒng)需要實時解算控制命令，并傳輸?shù)綀?zhí)行器。盡管在控制器到執(zhí)行器信道采用了基于mlp和dsc的控制算法，但是實際場景中控制輸入是存在延遲的，傳統(tǒng)路徑跟蹤算法并沒有解決控制系統(tǒng)的輸入延遲問題。此外，路徑收斂時間是體現(xiàn)路徑跟蹤控制器性能好壞的重要指標(biāo)之一，理想的控制器應(yīng)能在期望的時間內(nèi)驅(qū)動船舶由當(dāng)前位置駛向預(yù)設(shè)坐標(biāo)，并以特定的姿態(tài)完成路徑跟蹤任務(wù)。目前，大多數(shù)的控制研究都是以系統(tǒng)的漸近穩(wěn)定為目標(biāo)開展的，系統(tǒng)從初始狀態(tài)收斂到平衡點附近需要的時間理論上是無限大的。針對以上不足，固定時間理論的產(chǎn)生打破了這一束縛，其不但具有快速收斂的性能而且收斂時間獨立于初始狀態(tài)，故研究基于固定時間理論的路徑跟蹤控制器更加符合工程應(yīng)用。

2、基于以上分析，現(xiàn)有的路徑跟蹤控制算法存在以下2點缺陷：

3、1)現(xiàn)有基于mlp和dsc的控制策略未考慮實際信號傳輸中存在的延遲問題，如果將此類算法直接應(yīng)用，控制算法將無法實時補償系統(tǒng)不確定及外界干擾，將導(dǎo)致閉環(huán)控制系統(tǒng)性能降低甚至發(fā)散，不利用算法的工程應(yīng)用。

4、2)傳統(tǒng)的漸進穩(wěn)定路徑跟蹤控制策略理論上是一種無限時間收斂策略，無法保障實際工程中對船舶運動即時控制的需求，且嚴重依賴船舶初始運動狀態(tài)，魯棒性較為一般。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種考慮輸入延遲的固定時間路徑跟蹤控制方法，以克服現(xiàn)有的路徑跟蹤控制算法未能未考慮實際信號傳輸中存在的延遲問題，無法實時補償系統(tǒng)不確定及外界干擾，嚴重依賴船舶初始運動狀態(tài)，魯棒性較為一般，無法保障實際工程中對船舶運動即時控制的需求的技術(shù)問題。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：

3、一種考慮輸入延遲的固定時間路徑跟蹤控制方法，包括：

4、s1：構(gòu)建基于輸入延時的usv的非線性數(shù)學(xué)模型，作為后續(xù)的被控對象；根據(jù)輸入延遲情況下usv的控制輸入改進輸入延遲輔助系統(tǒng)，得到改進后的輸入延遲輔助系統(tǒng)；

5、s2：使用lvs技術(shù)生成usv的參考航線，根據(jù)所述參考航線構(gòu)建lvs制導(dǎo)律，并根據(jù)所述lvs制導(dǎo)律獲取usv的位置誤差和艏向角誤差，同時獲取所述改進后的輸入延遲輔助系統(tǒng)下的usv的動力學(xué)誤差；

6、s3：設(shè)計usv位置誤差虛擬控制律，引入dsc技術(shù)，根據(jù)所述usv位置誤差虛擬控制律設(shè)計固定時間濾波器；

7、s4：根據(jù)所述usv的動力學(xué)誤差、所述固定時間濾波器、所述位置誤差和所述艏向角誤差計算usv的姿態(tài)誤差信號的導(dǎo)數(shù)，設(shè)計姿態(tài)誤差虛擬控制律；

8、s5：根據(jù)所述基于輸入延時的usv的非線性數(shù)學(xué)模型、所述改進后的輸入延遲輔助系統(tǒng)、所述usv的動力學(xué)誤差和所述固定時間濾波器構(gòu)建基于輸入延遲輔助系統(tǒng)的固定時間路徑跟蹤控制器和自適應(yīng)律；

9、s6：根據(jù)輸入延遲輔助系統(tǒng)的固定時間路徑跟蹤控制器和基于輸入延遲輔助系統(tǒng)的自適應(yīng)律，實現(xiàn)輸入延遲下usv的路徑跟蹤控制。

10、進一步的，構(gòu)建基于輸入延時的usv的非線性數(shù)學(xué)模型，所述基于輸入延時的usv的非線性數(shù)學(xué)模型如公式(1)所示，

11、

12、式中，x,y表示usv的位置坐標(biāo)，ψ表示usv的艏向角，u,v,r分別代表船舶的前進速度、橫漂速度和艏搖角速度，θu,θv,θr為前進、橫漂及艏搖自由度的未知時變函數(shù)，fu(u)，fv(v)，fr(r)為前進、橫漂及艏搖自由度的已知光滑非線性函數(shù)，gu(v),gr(v)為前進和艏搖方向的控制增益，dwu,dwv,dwr為海洋環(huán)境擾動，測量噪聲的非結(jié)構(gòu)不確定項；tu(t-ξ),tr(t-ξ)分別表示在輸入延遲情況下的前進和艏搖方向的控制輸入；ξ表示輸入延遲的時間。

13、進一步的，根據(jù)輸入延遲情況下usv的控制輸入改進輸入延遲輔助系統(tǒng)，得到改進后的輸入延遲輔助系統(tǒng)，包括：

14、根據(jù)輸入延遲情況下usv的控制輸入改進輸入延遲輔助系統(tǒng)，所述改進后的輸入延遲輔助系統(tǒng)如公式(2)所示，

15、

16、其中，ti(t-ξ),i＝u,r表示延遲情況下前進和艏搖方向的控制輸入，wu,wr表示輸入延遲輔助系統(tǒng)中的狀態(tài)變量，初始值為零；cu，cr分別表示前進和艏搖自由度的設(shè)計參數(shù)，wu，wr表示前進和艏搖自由度的輸入延遲輔助系統(tǒng)中的狀態(tài)變量。

17、進一步的，使用lvs技術(shù)生成usv的參考航線，根據(jù)所述參考航線構(gòu)建lvs制導(dǎo)律，并根據(jù)所述lvs制導(dǎo)律獲取usv的位置誤差和艏向角誤差，同時獲取所述改進后的輸入延遲輔助系統(tǒng)下的usv的動力學(xué)誤差，包括：

18、s21、所述lvs制導(dǎo)律如公式(3)所示，

19、

20、其中，xd,yd表示lvs的位置坐標(biāo)，ψd表示lvs的艏向角，rd表示lvs的期望艏搖角速度，ud表示期望前進速度；

21、s22、根據(jù)所述lvs制導(dǎo)律獲取usv的位置誤差和艏向角誤差，所述usv的位置誤差和艏向角誤差如公式(4)所示，

22、

23、式中，xe,ye,ψe為usv的位置誤差和艏向角誤差，j(ψ)為與艏向角相關(guān)的旋轉(zhuǎn)矩陣，x,y,ψ分別表示usv在大地坐標(biāo)系下的置坐標(biāo)和艏向角；

24、s23、獲取所述改進后的輸入延遲輔助系統(tǒng)下的usv的動力學(xué)誤差，如公式(5)所示，

25、

26、公式(5)表示經(jīng)過所述輸入延遲輔助系統(tǒng)處理后的動力學(xué)誤差；表示姿態(tài)誤差信號；ue表示前進自由度的動力學(xué)誤差，re表示艏搖自由度的動力學(xué)誤差，βu,βr,表示經(jīng)過dsc濾波后的時間信號。

27、進一步的，設(shè)計usv位置誤差虛擬控制律，引入dsc技術(shù)，根據(jù)所述usv位置誤差虛擬控制律設(shè)計固定時間濾波器，包括：

28、s31、為鎮(zhèn)定usv位置誤差，設(shè)計usv位置誤差虛擬控制律，如公式(6)所示，

29、

30、式中，為設(shè)計參數(shù)，αu表示鎮(zhèn)定位置誤差xe的虛擬控制律，表示鎮(zhèn)定位置誤差ye的虛擬控制律，v表示船舶的橫漂速度；

31、s32、引入dsc技術(shù)，根據(jù)所述usv位置誤差虛擬控制律設(shè)計固定時間濾波器，所述固定時間濾波器如公式(7)所示，

32、

33、式中，tu,tr為時間常數(shù)，βu,βr,為dsc濾波后的時間信號；表示固定時間濾波器的時間信號；αr為姿態(tài)誤差信號的虛擬控制律。

34、進一步的，根據(jù)所述usv的動力學(xué)誤差、所述固定時間濾波器、所述位置誤差和所述艏向角誤差計算usv的姿態(tài)誤差信號的導(dǎo)數(shù)，設(shè)計姿態(tài)誤差虛擬控制律，包括：

35、s51、結(jié)合公式(4)、(5)和(7)，得到姿態(tài)誤差信號的導(dǎo)數(shù)，如公式(8)所示，

36、

37、s52、根據(jù)所述usv的姿態(tài)誤差信號和姿態(tài)誤差信號的導(dǎo)數(shù)設(shè)計姿態(tài)誤差虛擬控制律，如公式(9)所示，

38、

39、式中，kc2為設(shè)計參數(shù)，αr表示姿態(tài)誤差虛擬控制律。

40、進一步的，根據(jù)所述基于輸入延時的usv的非線性數(shù)學(xué)模型、所述改進后的輸入延遲輔助系統(tǒng)、所述usv的動力學(xué)誤差和所述固定時間濾波器構(gòu)建基于輸入延遲輔助系統(tǒng)的固定時間路徑跟蹤控制器和自適應(yīng)律，包括：

41、結(jié)合公式(1)、(2)、(5)、(7)，考慮輸入延時構(gòu)建基于輸入延遲輔助系統(tǒng)的固定時間路徑跟蹤控制器和自適應(yīng)律，如公式(10)和(11)所示，

42、

43、式中，i＝u,r為控制器設(shè)計參數(shù)，i＝u,r表示增益自適應(yīng)設(shè)計參數(shù)；ti表示沒有延遲情況的usv控制輸入，gi表示為前進和艏搖方向的非零控制增益，εi表示設(shè)計參數(shù)，表示光滑函數(shù)，表示基于輸入延遲輔助系統(tǒng)的固定時間路徑跟蹤控制器的控制輸入，表示時變函數(shù)θi的自適應(yīng)律，表示非結(jié)構(gòu)不確定項dwi的自適應(yīng)律，fi(v)表示為前進、橫漂及艏搖自由度的光滑非線性函數(shù)。

44、有益效果：本發(fā)明提供了一種考慮輸入延遲的固定時間路徑跟蹤控制方法，改進輸入延遲輔助系統(tǒng)，預(yù)測和補償延遲信號的影響，確?？刂浦噶罴皶r傳遞給執(zhí)行器，從而消除輸入延遲對系統(tǒng)性能的影響；設(shè)計了一種固定時間濾波器，采用濾波信號代替虛擬控制信號，解決傳統(tǒng)backstepping方法中由于對虛擬控制律求導(dǎo)而產(chǎn)生的“復(fù)雜度爆炸問題”，簡化設(shè)計虛擬控制律過程中的計算量，使控制器的結(jié)構(gòu)更簡單，保障實際工程中對船舶運動即時控制的精度；設(shè)計一種基于輸入延遲輔助系統(tǒng)的固定時間路徑跟蹤控制器和自適應(yīng)律，在解決模型中非結(jié)構(gòu)不確定項和控制增益未知問題的同時使閉環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的信號實現(xiàn)固定時間收斂。