欠驅(qū)動水面船舶的有限時間航跡跟蹤控制

王昱棋，李鐵山

(大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧 大連 116026)

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欠驅(qū)動水面船舶的有限時間航跡跟蹤控制

王昱棋，李鐵山

(大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧 大連 116026)

針對欠驅(qū)動水面船舶的快速航跡跟蹤控制問題，本文設(shè)計了一種基于終端滑?？刂品椒ǖ姆稚⒖刂破?。通過引入輔助線性滑模面進行切換控制，避免了傳統(tǒng)終端滑模面中狀態(tài)可能為零而導(dǎo)致控制無窮大的奇異問題，且使欠驅(qū)動水面船舶能夠在有限時間內(nèi)快速跟蹤并保持期望的軌跡。本文結(jié)合有限時間穩(wěn)定性理論證明了終端滑?？刂品椒ň哂邢迺r間收斂作用這一特性；借助Lyapunov穩(wěn)定性理論證明了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。仿真結(jié)果表明:該算法控制效果良好，且對外界環(huán)境干擾具有一定的魯棒性能。

欠驅(qū)動水面船舶；跟蹤控制；有限時間穩(wěn)定性；終端滑?？刂?；輔助滑模面；奇異問題

近年來，欠驅(qū)動水面船舶的航跡跟蹤控制問題，因其挑戰(zhàn)性及其在航海領(lǐng)域內(nèi)廣泛的實際應(yīng)用，受到了學(xué)者們極大的關(guān)注[1]。欠驅(qū)動水面船舶運動控制的主要難點是橫向未裝備驅(qū)動裝置，缺少可用的控制輸入[2-3]。由于欠驅(qū)動水面船舶所具有的驅(qū)動器個數(shù)少于其自由度，所以具有加速度不可積分的二階非完整約束條件，不滿足著名的Brockett必要條件，不能轉(zhuǎn)化為無漂鏈?zhǔn)较到y(tǒng)[4-6]，因此其控制設(shè)計非常具有挑戰(zhàn)性。盡管如此，已經(jīng)有許多學(xué)者在航跡跟蹤控制問題上通過使用多種控制方法取得了有意義的研究成果，這些方法包括自適應(yīng)控制[7-8]、線性代數(shù)方法[9]、模型預(yù)測控制[10-11]、Backstepping方法[12-13]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制[14-15]、動態(tài)面控制方法[16]、滑模控制方法[18-22]等。其中，滑?？刂品椒ㄒ蚱浜唵我仔小㈨憫?yīng)速度快、對外界干擾和參數(shù)攝動具有魯棒性的特點在控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。Ashrafiuon等最早將滑?？刂品椒☉?yīng)用在欠驅(qū)動船舶航跡跟蹤問題中，算法考慮了船舶參數(shù)不確定性，利用縱蕩跟蹤誤差設(shè)計一階滑模，橫向跟蹤誤差設(shè)計二階滑模，成功跟蹤了直線軌跡和曲線軌跡，并在無人船模型試驗中進行了驗證[18]。于瑞亭等研究了在外界環(huán)境干擾和模型參數(shù)辨識不確定情況下的欠驅(qū)動水面船舶航跡跟蹤控制問題，設(shè)計了一種二階滑?？刂破鱗19]。楊震等結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和滑?？刂品椒ㄔO(shè)計了一種神經(jīng)滑模魯棒控制器[20]。Li等將自抗擾控制技術(shù)與滑?？刂萍夹g(shù)結(jié)合，設(shè)計了船舶航向跟蹤控制器和航跡跟蹤控制器[22]。以上方法存在一個共性問題是都沒有考慮有限時間穩(wěn)定性。

論文對外界環(huán)境干擾影響下的欠驅(qū)動水面船舶航跡跟蹤控制有限時間穩(wěn)定性問題進行了研究，采用終端滑?？刂品椒╗23]，實現(xiàn)了預(yù)期有限時間內(nèi)的航跡跟蹤控制，并在控制器設(shè)計中引入了輔助滑模面[24]，避免了終端滑?？刂破髦锌赡軙霈F(xiàn)的控制器奇異問題。最后通過仿真驗證了所提出方法的有效性。

1 欠驅(qū)動水面船舶數(shù)學(xué)模型

1.1 欠驅(qū)動水面船舶數(shù)學(xué)模型

本文中的船舶航跡跟蹤問題是針對水面船舶，只需考慮船舶前進、橫漂和艏搖三個自由度的運動問題[25]。圖1為船舶平面運動變量描述圖。

圖1 船舶平面運動變量描述圖Fig.1 Planar model of a surface vessel

欠驅(qū)動水面船舶的動力學(xué)方程和運動學(xué)方程表示為[2]

(1)

(2)

式中：η?[xyψ]T∈R3，v?[vxvywz]T∈R3，ω=[ω1ω2ω3]T為有界外界干擾，τ?[Fx0Tz]T∈R3，F(xiàn)x和Tz分別為水面船舶的縱向推進力和轉(zhuǎn)向力矩。R(ψ)∈R3是傳遞矩陣：

(3)

其中，RT(ψ)=R-1(ψ)。

M∈R3×3,是慣性參數(shù)矩陣：

(4)

通過選擇合適的物體固定坐標(biāo)系原點[8]，m23能夠滿足m23=0。

C(v)∈R3×3,是科里奧利和向心力矩陣：

(5)

D(v)∈R3×3，是水動力阻尼參數(shù)矩陣：

(6)

假設(shè)慣性參數(shù)矩陣和水動力阻尼參數(shù)矩陣都是常值對角矩陣，則式(2)的簡化模型如下

(7)

注1：考慮船舶沒有側(cè)推器，即Fy=0。兩個螺旋槳產(chǎn)生前進方向上的推進力和首搖運動轉(zhuǎn)向力矩，即τ=[Fx0Tz]Τ，與欠驅(qū)動水面船舶一致。

1.2 有限時間穩(wěn)定性

現(xiàn)在介紹將用到的有限時間穩(wěn)定性引理。首先考慮如下非線性動態(tài)系統(tǒng)：

(8)

式中：x(t)∈ξ?Rn，是系統(tǒng)的狀態(tài)矢量；ξ是開集；0∈ξ，f(x(t))在ξ上是連續(xù)的，f(0)=0。

針對系統(tǒng)(8)，有如下引理：

引理1[26]考慮非線性動態(tài)系統(tǒng)(8)，設(shè)ξ′∈ξ為與式(8)相關(guān)的不變集。假設(shè)存在一個連續(xù)微分方程

V(x(t)):ξ→R，實數(shù)c>0，α∈(0，1)，如此，V(x)=0，x∈ξ；V(x)>0，x∈ξ/ξ′且V′(x)f(x)≤-c(V(x))a，x∈ξ。則不變集ξ′是具有有限時間穩(wěn)定性的。并且調(diào)節(jié)時間函數(shù)滿足：

(9)

式中，x0在ξ′的開鄰域內(nèi)。

注2：有限時間穩(wěn)定性保證了系統(tǒng)每一個狀態(tài)都能在預(yù)期有限時間內(nèi)到達系統(tǒng)的原點，引理1給出了不變集的有限時間穩(wěn)定性。

2 跟蹤控制器設(shè)計及穩(wěn)定性分析

(10)

由(7)得

(11)

式中：η=[xyψ]T表示船舶在慣性坐標(biāo)系中的位置，v=[vxvywz]T表示船舶在物體固定坐標(biāo)系中的速度，mij和dij是正常數(shù)。

對(10)求導(dǎo)得

(12)

其中

采用SPSS 20.0統(tǒng)計學(xué)軟件對數(shù)據(jù)進行處理，計數(shù)資料以百分?jǐn)?shù)（%）表示，采用x2檢驗，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義[2] 。

控制目標(biāo)是使以上系統(tǒng)的狀態(tài)在有限時間內(nèi)達到且保持期望的穩(wěn)態(tài)值。設(shè)跟蹤目標(biāo)的期望軌跡方程為ηL(t)，t≥0。

引入誤差變量為

(13)

(14)

(15)

(16)

定義非線性滑模面S為

(17)

其中C=diag(c1,c2,c3)，ci>0，i=1，2，3；R(e)?diag(sign(e1)，sign(e2),sign(e3))，ei∈R，i=1，2，3。

(18)

(19)

(20)

式中：M?R3×R3，d(·，·)是有界的。

定義M為

(21)

其中，

λ?‖C‖∞+δ，δ>0。

(22)

引理2[23]：考慮誤差動態(tài)式(14)～(16)，如果滑?？刂破鞯脑鲆鎘i，i=1，2，3，滿足

ki=αi+σ

(23)

且

(24)

則由式(21)定義的設(shè)定集M是不變的。

(25)

定義輔助滑模面Saux為

(26)

(27)

其中

且

kaux=αaux+σ，αaux>0

(28)

定理1 由終端滑?？刂坡?18)和(27)及水面船舶運動系統(tǒng)(10)和(11)組成的閉環(huán)系統(tǒng)能夠在有限時間內(nèi)跟蹤期望軌跡，并且使得系統(tǒng)的狀態(tài)在有限時間內(nèi)達到且保持期望的穩(wěn)態(tài)值。

選取李雅普諾夫函數(shù)

(29)

對V求導(dǎo)得

(30)

根據(jù)文獻[25]，滑模面具有有限時間穩(wěn)定性，分散滑?？刂破魇?18)切換到式(27)。

(31)

對V求導(dǎo)，得

(32)

同樣根據(jù)文獻[25]，誤差狀態(tài)能在有限時間內(nèi)到達滑模面。

此外，根據(jù)式(17)，閉環(huán)誤差動態(tài)定義為

(33)

因此，根據(jù)引理1誤差狀態(tài)能夠在有限時間內(nèi)收斂到原點，既而保證了船舶能夠在有限時間內(nèi)跟蹤期望軌跡。

3 仿真驗證

現(xiàn)在對上述所設(shè)計的控制器進行計算機仿真研究，以演示其性能及效果。數(shù)值仿真采用文獻[2]中的水池試驗用的船模參數(shù)進行仿真實驗，具體參數(shù)如下：

m11=200 kg，m22=250 kg，m33=80 kg，

d11=70 kg/s，d22=100 kg/s，d33=50 kg/s

外界環(huán)境時變干擾采用文獻[17]中的模型，如下：

0.196sin(0.3t)cos(0.4t)

期望的運動軌跡為圓形軌跡：

XL=3sin(t)，YL=3cos(t)。

船舶的初始值為：η1=[00-1/2]T。

滑模面參數(shù)為C1=diag[3, 3, 3]。

控制增益參數(shù)為K=Kaux=diag[2, 2, 2]。

為了更好地說明所設(shè)計的控制器效果，與傳統(tǒng)的線性滑?？刂品椒ㄗ龇抡鎸嶒炦M行比較，該線性滑模面設(shè)計如下：

圖2 欠驅(qū)動水面船舶的跟蹤軌跡(TSMC)Fig.2 Tracking trajectory of USV(TSMC)

圖4 控制力曲線Fig.4 Response of control forces

圖3 欠驅(qū)動水面船舶跟蹤軌跡(SMC)Fig.3 Tracking trajectory of USV(SMC)

圖5 控制力矩曲線Fig.5 Response of control torques

4 結(jié)論

通過對欠驅(qū)動水面船舶的有限時間航跡跟蹤控制器設(shè)計，并進行數(shù)值仿真實驗可以得到以下結(jié)論：

1)控制器設(shè)計中采用了終端滑?？刂品椒?，與傳統(tǒng)的船舶航跡跟蹤控制方法相比，具有有限時間收斂及快速收斂的特性。

2)通過設(shè)計輔助線性滑模面，避免了控制器采用終端滑模方法可能會出現(xiàn)奇異值得問題。

3)給出的航跡跟蹤控制算法閉環(huán)穩(wěn)定性條件易于達到，并且設(shè)計方法的可操作性較強，因此在實際應(yīng)用中具有一定的參考價值。

此外，設(shè)計過程中未考慮模型未知、通信時延等復(fù)雜情況，這些問題是下一階段的研究重點。

[1]郭晨，汪洋，孫福春，等.欠驅(qū)動水面船舶運動控制研究綜述[J].控制與決策， 2009， 24(3)： 321-329.

GUO Chen， WANG Yang， SUN Fuchun， et al. Survey for motion control of underactuated surface vessels [J]. Control and decision， 2009， 24(3)： 321-329.

[2]FOSSEN T I. Guidance and control of ocean vehicles [M]. Upper saddle river， New York: Wiley Interscience， 1994.

[3]DO K D， PAN J. Control of ships and underwater vehicles [M]. Springer， 2009.

[4]SORDALEN O J， EGELAND O. Exponential stabilization of nonholonomic chained systems [J]. IEEE transactions on automatic control， 1995， 40(1)： 35-49.

[5]REYHANOGLU M. Exponential stabilization of an underactuated autonomous surface vessel [J]. Automatica， 1997， 33(12)： 2248-2254.

[6]PETTERSEN K Y. Exponential stabilization of an underactuated vehicles [D]. Trondheim: Norwegian university of science and technology， 1996.

[7]DO K D， JIANG Z P， PAN J. Robust adaptive path following of underactuated ships [J]. Automatica， 2004， 40(6)： 929-944.

[8]DO K D. Global robust adaptive path-tracking control of underactuated ships under stochastic disturbances [J]. Ocean engineering， 2016， 111:267-278.

[9]SERRANO M E， SCAGLIA G J E， GODOY S A， et al. Trajectory tracking of underactuated surface vessels: A linear algebra approach [J]. IEEE Transactions on control systems technology， 2014， 22(3)： 1103-1111.

[10]YAN Z， WANG J. Model predictive control for tracking of underactuated vessels based on recurrent neural networks [J]. IEEE Journal of oceanic engineering， 2012， 37(4)： 717-726.

[11]柳晨光，初秀民，王樂，等.欠驅(qū)動水面船舶的軌跡跟蹤模型預(yù)測控制器[J]. 上海交通大學(xué)報，2015，49(12)： 1842-1854.

LIU Chenguang， CHU Xiumin， WANG Le， et al. Trajectory tracking controller for underactuated surface vessels based on model predictive control [J]. Journal of Shanghai Jiaotong University， 2015， 49(12)： 1842-1854.

[12]DONG Zaopeng， WAN Lei， LI Yueming， et al. Trajectory tracking control of underactuated USV based on modified backstepping approach [J]. International journal of naval architecture and ocean engineering， 2015， 7(5)： 817-832.

[13]曾薄文，朱齊丹，于瑞亭.欠驅(qū)動水面船舶的曲線航跡跟蹤控制 [J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報， 2011， 32(10)： 1317-1322.

ZENG Bowen， ZHU Qidan， YU Ruiting. Curve tracking of an underactuated surface vessel [J]. Journal of Harbin Engineering University， 2011， 32(10)： 1317-1322.

[14]王耀祿，郭晨.欠驅(qū)動船舶RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)路徑自適應(yīng)跟蹤控制[J].大連海事大學(xué)學(xué)報， 2015， 41(1)： 1-5.

WANG Yaolu， GUO Chen. Path flowing control for underactuated surface vessels based on RBF neural network [J]. Journal of Dalian Maritime University， 2015， 41(1)： 1-5.

[15]ZHENG Zewei， SUN Liang. Path following control for marine surface vessel with uncertainties and input saturation [J]. Neurocomputing， 2015， 177:158-167.

[16]WANG H， WANG D， PENG Z H， et al. Adaptive dynamic surface control for cooperative path following of underactuated marine surface vehicles via fast learning [J]. IET Control theory and applications， 2013， 7(15)： 1888-1898.

[17]PENG Zhouhua， WANG Dan， LAN Weiyao， et al.Robust leader-follower formation tracking control of multiple underactuated surface vessels [J]. China ocean engineering， 2012， 26(3)： 521-534.

[18]ASHRAFIUON H， MUSKE K R， MCNINCH L C， et al. Sliding-mode tracking control of surface vessels [J]. IEEE Transactiona on industrial electronics， 2008， 55(11)： 4004-4012.

[19]YU Ruiting， ZHU Qidan， XIA Guihua， et al. Sliding mode tracking control of an underactuated surface vessel [J]. Control theory and applications， IET， 2012， 6(3)： 461-466.

[20]朱齊丹，于瑞亭，夏桂華，等.風(fēng)浪流干擾及參數(shù)不確定欠驅(qū)動船舶航跡跟蹤的滑模魯棒控制[J].控制理論與應(yīng)用， 2012， 29(7)： 959-964.

ZHU Qidan， YU Ruiting， XIA Guihua， et al. Sliding-mode robust tracking control for underactuated surface vessels with parameter uncertainties and external disturbances [J]. Control theory and applications， 2012， 29(7)： 959-964.

[21]楊震，劉繁明，王巖.欠驅(qū)動船舶路徑跟蹤的神經(jīng)滑模控制[J].中國造船， 2015， 56(2)： 45-55.

YANG Zhen， LIU Fanming， WANG Yan. Path following of underactuated surface vessels based on neural sliding mode [J]. Shipbuildig of China， 2015， 56(2)： 45-55.

[22]LI R H， LI T S， BU R X， et al. Active disturbance rejection with sliding mode control based course and path following for underactuated ships [J]. Mathematical problems in engineering， 2013， 2013:1-9.

[23]MASOOD G， SERGEY G N， GARRETT C. Finite-time tracking using sliding mode [J]. Journal of the franklin institute， 2014， 351(5)： 2966-2990.

[24]YU Xinghuo， MAN Zhihong. Model reference adaptive control systems with terminal sliding modes [J]. International journal of Control， 1996， 64(6)： 1165-1176.

[25]賈欣樂，楊鹽生. 船舶運動數(shù)學(xué)模型:機理建模與辨識建模[M].大連：大連海事大學(xué)出版社，1999.

[26]NERSESOV S G， NATARAJ C， AVIS J M. Design of finite-time stabilizing controllers for nonlinear dynamical systems [C]∥IEEE Conference on Decision and Control， 2007， 1740-1745.

本文引用格式：

王昱棋，李鐵山.欠驅(qū)動水面船舶的有限時間航跡跟蹤控制[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報， 2017， 38(5)： 684-689.

WANG Yuqi， LI Tieshan. Finite-time trajectory tracking control of under-actuated surface vessel[J]. Journal of Harbin Engineering University， 2017， 38(5)： 684-689.

Finite-time trajectory tracking control of under-actuated surface vessel

WANG Yuqi， LI Tieshan

(Navigation College， Dalian Maritime University， Dalian 116026， China)

To realize fast trajectory tracking control for an under-actuated surface vessel， a decentralized controller was designed based on the terminal sliding mode control method， and an auxiliary linear sliding mode surface was introduced for the switch control to avoided the singularity problem in the traditional terminal sliding mode surface， i.e.， the state may be zero and the control can be infinity. In addition， this made an under-actuated surface vessel realize fast tracking and maintain the desired trajectory in a finite time. In combination with the finite-time stability theory， it was verified that TSMC has the characteristics of converging within a limited time. In virtue of the Lyapunov stability theory， the stability of the closed loop system was verified. Simulation results show that this algorithm has good control effect and has certain robustness against external environmental disturbances.

under-actuated surface vessel (USV); tracking control; finite-time stability; terminal sliding mode control (TSMC); auxiliary sliding mode surface; singularity problem

2015-12-21.

日期：2017-04-26.

國家自然科學(xué)基金項目(51179019， 61374114)；遼寧省教育廳重點實驗室基礎(chǔ)項目(LZ2015006)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費項目(3132016313， 3132016311).

王昱棋(1992-)， 男， 碩士研究生； 李鐵山(1968-)， 男， 教授，博士生導(dǎo)師.

李鐵山， E-mail：tieshanli@126.com.

10.11990/jheu.201512069

TP273.2

A

1006-7043(2017)05-0684-06

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20170426.1133.036.html