基于自適應(yīng)模糊估計(jì)器的濾波反步船舶運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供的是一種基于自適應(yīng)模糊估計(jì)器的濾波反步船舶運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。包括控制系統(tǒng)(2)、導(dǎo)引系統(tǒng)(4)、微分同胚變換器(6)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(7)和傳感器系統(tǒng)(12)，導(dǎo)引系統(tǒng)(4)得到船舶在各個(gè)時(shí)刻的期望位置、期望艏向及期望速度，傳感器系統(tǒng)(12)包含位姿傳感器(11)和速度傳感器(10)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(7)包括數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)(9)及濾波系統(tǒng)(8)，控制系統(tǒng)(2)包括濾波反步控制器(3)和自適應(yīng)模糊估計(jì)器(5)，自適應(yīng)模糊估計(jì)器(5)同時(shí)接收導(dǎo)引系統(tǒng)(4)和微分同胚變換器(6)的數(shù)據(jù)，濾波反步控制器(3)同時(shí)接收導(dǎo)引系統(tǒng)(4)提供的期望信息及其導(dǎo)數(shù)、微分同胚變換器(6)提供的新的狀態(tài)變量信息，以及自適應(yīng)模糊估計(jì)器(5)提供的對未知非線性函數(shù)的估計(jì)輸出。
【專利說明】基于自適應(yīng)模糊估計(jì)器的濾波反步船舶運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種船舶運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，豐富的海洋資源吸引著各國的目光，而各國也將注意力越來越多地投向了海洋工程和海洋開發(fā)。隨著人們海上活動(dòng)的日益頻繁，與船舶控制相關(guān)領(lǐng)域受到研究人員的廣泛關(guān)注，船舶航向控制、航跡控制、路徑跟蹤以及動(dòng)力定位技術(shù)等，也成為控制領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。
[0003]在船舶運(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)過程中，絕大多數(shù)非線性控制方法都是基于模型信息的，而通常建立精確系統(tǒng)模型是十分困難的，因此針對模型存在未知信息時(shí)的船舶運(yùn)動(dòng)研究基于自適應(yīng)模糊估計(jì)器的非線性控制方法是很有必要的。此外，利用常規(guī)反步法進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)的過程中，需要在每一步對虛擬控制量進(jìn)行求導(dǎo)，如果系統(tǒng)階數(shù)增加，不僅使得求導(dǎo)過程復(fù)雜，也對系統(tǒng)特性有一定要求。為了避免在反步控制器設(shè)計(jì)過程中對虛擬控制量進(jìn)行求導(dǎo)，引入二階濾波器對虛擬控制量及其導(dǎo)數(shù)進(jìn)行逼近，以簡化控制器的設(shè)計(jì)過程；濾波器的引入也可以增強(qiáng)控制器對噪聲的抑制能力。目前，大多數(shù)文獻(xiàn)對動(dòng)力定位等全驅(qū)動(dòng)船舶的運(yùn)動(dòng)控制研究都沒考慮推進(jìn)器的動(dòng)態(tài)特性，只是單純的將控制指令直接作為控制力和力矩作用于船上，這與實(shí)際系統(tǒng)存在一定的差別。
[0004]經(jīng)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，華南理工大學(xué)周洪波等在《控制與決策》(2012年第4期)發(fā)表的文章《基于濾波反步法的無人直升機(jī)軌跡跟蹤控制》針對無人直升機(jī)設(shè)計(jì)了濾波反步法的軌跡跟蹤控制器，用濾波器對虛擬控制量及其導(dǎo)數(shù)進(jìn)行逼近，而不是直接對虛擬控制量進(jìn)行求導(dǎo)，簡化了控制器設(shè)計(jì)；華南理工大學(xué)賀躍幫等在《華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)》(2013年第2期)發(fā)表的文章《無人直升機(jī)魯棒積分濾波反步法飛行控制設(shè)計(jì)》對濾波反步法在無人直升機(jī)軌跡跟蹤中的應(yīng)用進(jìn)行了深入研究，并通過引入積分項(xiàng)和魯棒項(xiàng)提高閉環(huán)系統(tǒng)的抗干擾能力。但是以上研究均是針對模型已知的系統(tǒng)進(jìn)行的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種針對模型存在未知非線性函數(shù)時(shí)的基于自適應(yīng)模糊估計(jì)器的濾波反步船舶運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。
[0006]本發(fā)明的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0007]包括控制系統(tǒng)2、導(dǎo)引系統(tǒng)4、微分同胚變換器6、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)7和傳感器系統(tǒng)12;導(dǎo)引系統(tǒng)4根據(jù)輸入的期望值與船舶的初始位置，生成一條光滑的路徑，根據(jù)該路徑得到船舶在各個(gè)時(shí)刻的期望位置、期望艏向及期望速度；所述傳感器系統(tǒng)12包含位姿傳感器11和速度傳感器10，位姿傳感器11采集的船舶實(shí)際位置和艏向角與速度傳感器10采集到的船舶運(yùn)動(dòng)速度信息一同傳遞給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)7 ;經(jīng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)7中的數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)9及濾波系統(tǒng)8的處理得到船舶的低頻位姿信息和速度信息傳遞給微分同胚變換器6，經(jīng)狀態(tài)變換后得到新的狀態(tài)變量；新的狀態(tài)變量傳遞給控制系統(tǒng)2的濾波反步控制器3和自適應(yīng)模糊估計(jì)器5，自適應(yīng)模糊估計(jì)器5同時(shí)接收導(dǎo)引系統(tǒng)4和微分同胚變換器6的數(shù)據(jù)，對控制器所需的未知非線性函數(shù)進(jìn)行估計(jì)，也包含了對低頻干擾的估計(jì)；濾波反步控制器3同時(shí)接收導(dǎo)引系統(tǒng)4提供的期望信息及其導(dǎo)數(shù)、微分同胚變換器6提供的新的狀態(tài)變量信息，以及自適應(yīng)模糊估計(jì)器5提供的對未知非線性函數(shù)的估計(jì)輸出，經(jīng)解算得到相應(yīng)的控制指令信息，調(diào)整船舶的縱向推力、橫向推力及轉(zhuǎn)首力矩，實(shí)現(xiàn)對船舶的準(zhǔn)確控制。
[0008]本發(fā)明還可以包括:
[0009]1、所述自適應(yīng)模糊估計(jì)器5同時(shí)接收導(dǎo)引系統(tǒng)4和微分同胚變換器6的數(shù)據(jù)，對控制器所需的未知非線性函數(shù)進(jìn)行估計(jì)是指:控制系統(tǒng)2中的自適應(yīng)模糊估計(jì)器5，根據(jù)微分同胚變換器6所提供的新的狀態(tài)變量，以及導(dǎo)引系統(tǒng)4提供的期望信息，按照給定的自適應(yīng)律，通過模糊邏輯系統(tǒng)對未知的非線性函數(shù)及低頻干擾進(jìn)行綜合估計(jì)，得到濾波反步控制器中所需的非線性函數(shù)。
[0010]2、控制系統(tǒng)2中的濾波反步控制器3中引入二階濾波器，通過濾波器對虛擬控制量及其導(dǎo)數(shù)進(jìn)行逼近。
[0011]本發(fā)明的主要特點(diǎn)體現(xiàn)在:
[0012]I)導(dǎo)引系統(tǒng)4通過給定的期望目標(biāo)與船舶的初始位置，生成一條光滑的期望路徑，根據(jù)該路徑可以得到各時(shí)刻船舶的期望位姿及其導(dǎo)數(shù)，使得船舶經(jīng)過勻加速、勻速、勻減速的過程，最后以期望的艏向穩(wěn)定在期望位置；將得到的期望位姿及其導(dǎo)數(shù)傳遞給控制系統(tǒng)2以供估計(jì)未知非線性函數(shù)和解算控制指令。
[0013]2)傳感器系統(tǒng)12分為位姿傳感器11和速度傳感器10，這些傳感器將采集的信息傳遞給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)7，供其處理以得到所需的數(shù)據(jù)。
[0014]3)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)7包括數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)9和濾波系統(tǒng)8，數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)9將多種多個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，得到對應(yīng)的信息，然后經(jīng)濾波系統(tǒng)8濾波，得到最終用于控制系統(tǒng)2的船舶運(yùn)動(dòng)信息，并傳遞給微分同胚變換器6。
[0015]4)微分同胚變換器6將數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)7提供的船舶位姿信息和速度信息進(jìn)行微分同胚狀態(tài)變換，得到新的狀態(tài)變量，以便于控制器進(jìn)行濾波反步控制器的設(shè)計(jì)。
[0016]5)控制系統(tǒng)2包含自適應(yīng)模糊估計(jì)器5和濾波反步控制器3兩部分，自適應(yīng)模糊估計(jì)器5接收導(dǎo)引系統(tǒng)4提供的期望信息和微分同胚變換器6提供的新的狀態(tài)變量信息，并以一定的自適應(yīng)律和相應(yīng)的模糊系統(tǒng)對未知的非線性函數(shù)進(jìn)行估計(jì)，并將估計(jì)得到的非線性函數(shù)傳遞給濾波反步控制器3，供其進(jìn)行控制指令的解算；濾波反步控制器3根據(jù)導(dǎo)引系統(tǒng)4提供的期望信息，結(jié)合自適應(yīng)模糊估計(jì)器5提供的對未知非線性函數(shù)的估計(jì)值，以及微分同胚變換器6提供的新的狀態(tài)變量，經(jīng)一系列非線性控制算法的解算，得到合適的控制指令，驅(qū)動(dòng)船舶的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)整船舶的位置和速度，以達(dá)到控制目的。
[0017]控制系統(tǒng)2中的濾波反步控制器3并不需要對虛擬控制量進(jìn)行求導(dǎo)，在控制器設(shè)計(jì)中引入二階濾波器技術(shù)，通過濾波器對虛擬控制量及其導(dǎo)數(shù)進(jìn)行逼近，不僅簡化了控制器的設(shè)計(jì)，也加強(qiáng)了控制器對噪聲的抑制能力。
[0018]此發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于無需已知精確的船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)對船舶運(yùn)動(dòng)的精確控制。由于本發(fā)明設(shè)計(jì)的自適應(yīng)模糊估計(jì)器不僅能夠?qū)δＰ椭形粗姆蔷€性函數(shù)進(jìn)行估計(jì)，同時(shí)也包含了對外界低頻干擾的估計(jì)，提高了系統(tǒng)對干擾的魯棒性能；而濾波反步法中通過引入濾波器對虛擬控制量及其導(dǎo)數(shù)進(jìn)行逼近，取代了常規(guī)反步法中對虛擬控制量的求導(dǎo)過程，使得控制器的形式簡單，簡化了設(shè)計(jì)過程。而濾波器的引入也增強(qiáng)了控制器對噪聲的抑制能力。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為基于自適應(yīng)模糊估計(jì)器的濾波反步船舶運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖；
[0020]圖2為濾波反步控制器結(jié)構(gòu)；
[0021]圖3為自適應(yīng)模糊系統(tǒng)的隸屬度函數(shù)曲線；
[0022]圖4為位置和艏向跟蹤誤差曲線；
[0023]圖5為控制器控制指令曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述:
[0025]圖1給出了本發(fā)明的基于自適應(yīng)模糊估計(jì)器的濾波反步船舶運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，在圖1中各數(shù)字代表的含義如下:1 一環(huán)境干擾；2—控制系統(tǒng)；3—濾波反步控制器；4一導(dǎo)引系統(tǒng)；5—自適應(yīng)模糊估計(jì)器；6—微分同胚變換器；7—數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；8—濾波系統(tǒng)；9一數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)；10—速度傳感器；11 一位姿傳感器；12—傳感器系統(tǒng)；13—船舶。
[0026]結(jié)合圖1，本發(fā)明的基于自適應(yīng)模糊估計(jì)器的濾波反步船舶運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)2、導(dǎo)引系統(tǒng)4、微分同胚變換器6、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)7、傳感器系統(tǒng)12。傳感器系統(tǒng)12中的位姿傳感器11采集船舶實(shí)際位姿，與速度傳感器10采集到的船舶運(yùn)動(dòng)速度信息一起打包傳遞給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)7，這些數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)9和濾波系統(tǒng)8處理之后，得到應(yīng)用于控制系統(tǒng)2的船舶位姿信息和速度信息；經(jīng)處理后的數(shù)據(jù)被傳遞給微分同胚變換器6，經(jīng)過狀態(tài)變換得到新的狀態(tài)變量，以進(jìn)行反步法設(shè)計(jì)；將這些新變量傳遞給控制系統(tǒng)2的濾波反步控制器3和自適應(yīng)模糊估計(jì)器5，以供控制系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算；自適應(yīng)模糊估計(jì)器5同時(shí)接收導(dǎo)引系統(tǒng)4和微分同胚變換器6的數(shù)據(jù)，對控制器所需的未知非線性函數(shù)進(jìn)行估計(jì)，也包含了對低頻干擾的估計(jì)；濾波反步控制器同時(shí)接收導(dǎo)引系統(tǒng)4提供的期望信息及其導(dǎo)數(shù)、微分同胚變換器6提供的新的狀態(tài)變量信息，以及自適應(yīng)模糊估計(jì)器5提供的對未知非線性函數(shù)的估計(jì)輸出，經(jīng)一系列解算得到相應(yīng)的控制指令信息，調(diào)整船舶的縱向推力、橫向推力及轉(zhuǎn)首力矩，實(shí)現(xiàn)對船舶的準(zhǔn)確控制。
[0027]I)導(dǎo)引系統(tǒng)4根據(jù)設(shè)定的期望值nd以及船舶初始位置，自動(dòng)生成一條光滑的路徑，根據(jù)該路徑可以得到船舶各時(shí)刻所需的期望位置Xd，yd和期望艏向Vd及其導(dǎo)數(shù)弋，九和沁，使得船舶能夠經(jīng)勻加速，勻速和勻減速的過程到達(dá)指定位置。為了方便可以記
nr=[xd, yd, vd]τ, ?.=vr
[0028]2)傳感器系統(tǒng)12包含位姿傳感器11和速度傳感器10，分別采集船舶的實(shí)際位置和實(shí)際航向角，以及速度信息。船舶的位姿信息和速度信息傳遞給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)7，經(jīng)數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)9和濾波系統(tǒng)8處理后得到可應(yīng)用于控制系統(tǒng)2的船舶的位姿信息n = [x，y，Ψ]τ和速度信息v=[u，v，r];經(jīng)處理的數(shù)據(jù)傳遞給微分同胚變換器6進(jìn)行狀態(tài)變換，通過坐標(biāo)變換X1= η，X2=J(rI) V得到新的變量X1, χ2,由.其構(gòu)成與原系統(tǒng)等價(jià)的新模型。為了契合新模型的需要，新的期望位姿和速度記為Xld= ' =\。[0029]原系統(tǒng)模型為:
[0030]
【權(quán)利要求】
1.一種基于自適應(yīng)模糊估計(jì)器的濾波反步船舶運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，包括控制系統(tǒng)(2)、導(dǎo)引系統(tǒng)(4)、微分同胚變換器(6)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(7)和傳感器系統(tǒng)(12);其特征是:導(dǎo)引系統(tǒng)(4)根據(jù)輸入的期望值與船舶的初始位置，生成一條光滑的路徑，根據(jù)該路徑得到船舶在各個(gè)時(shí)刻的期望位置、期望艏向及期望速度；所述傳感器系統(tǒng)(12)包含位姿傳感器(11)和速度傳感器(10)，位姿傳感器(11)采集的船舶實(shí)際位置和艏向角與速度傳感器(10)采集到的船舶運(yùn)動(dòng)速度信息一同傳遞給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(7);經(jīng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(7)中的數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)(9)及濾波系統(tǒng)(8)的處理得到船舶的低頻位姿信息和速度信息傳遞給微分同胚變換器(6)，經(jīng)狀態(tài)變換后得到新的狀態(tài)變量；新的狀態(tài)變量傳遞給控制系統(tǒng)(2)的濾波反步控制器⑶和自適應(yīng)模糊估計(jì)器(5)，自適應(yīng)模糊估計(jì)器(5)同時(shí)接收導(dǎo)引系統(tǒng)⑷和微分同胚變換器(6)的數(shù)據(jù)，對控制器所需的未知非線性函數(shù)進(jìn)行估計(jì)，也包含了對低頻干擾的估計(jì)；濾波反步控制器(3)同時(shí)接收導(dǎo)引系統(tǒng)(4)提供的期望信息及其導(dǎo)數(shù)、微分同胚變換器(6)提供的新的狀態(tài)變量信息，以及自適應(yīng)模糊估計(jì)器(5)提供的對未知非線性函數(shù)的估計(jì)輸出，經(jīng)解算得到相應(yīng)的控制指令信息，調(diào)整船舶的縱向推力、橫向推力及轉(zhuǎn)首力矩，實(shí)現(xiàn)對船舶的準(zhǔn) 確控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自適應(yīng)模糊估計(jì)器的濾波反步船舶運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征是所述自適應(yīng)模糊估計(jì)器(5)同時(shí)接收導(dǎo)引系統(tǒng)(4)和微分同胚變換器(6)的數(shù)據(jù)，對控制器所需的未知非線性函數(shù)進(jìn)行估計(jì)是指:控制系統(tǒng)(2)中的自適應(yīng)模糊估計(jì)器(5)，根據(jù)微分同胚變換器(6)所提供的新的狀態(tài)變量，以及導(dǎo)引系統(tǒng)(4)提供的期望信息，按照給定的自適應(yīng)律，通過模糊邏輯系統(tǒng)對未知的非線性函數(shù)及低頻干擾進(jìn)行綜合估計(jì)，得到濾波反步控制器中所需的非線性函數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于自適應(yīng)模糊估計(jì)器的濾波反步船舶運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征是:控制系統(tǒng)(2)中的濾波反步控制器(3)中引入二階濾波器，通過濾波器對虛擬控制量及其導(dǎo)數(shù)進(jìn)行逼近。
【文檔編號】G05B13/02GK103592846SQ201310551643
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月7日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月7日
【發(fā)明者】夏國清, 邵興超, 欒添添, 楊月 申請人:哈爾濱工程大學(xué)