本發(fā)明屬于船舶自動靠泊，具體涉及一種考慮時變約束的欠驅動無人船自動靠泊控制方法、電子設備及存儲介質。

背景技術：

1、隨著自動化和智能技術的發(fā)展，海上作業(yè)逐漸受到人類的重視，欠驅動無人船具有體積小、重量輕和靈活性好的特點，可以代替人類完成許多危險的海上任務。其中，研究欠驅動無人船的自動靠泊控制是對于無人船研究不可或缺的一部分。但是，隨著無人船數(shù)量的增多，港口環(huán)境的復雜性，無人船自動靠泊的難度和風險也隨之上升。因此，為了能實現(xiàn)船體的安全靠泊，研發(fā)高穩(wěn)定性的自動靠泊控制方法是十分必要的。

2、欠驅動無人船自動靠泊控制算法的設計面臨著諸多挑戰(zhàn)，例如，無人船在淺水區(qū)域低速運動時，不僅需要應對淺水效應的影響，還要克服岸壁等環(huán)境因素帶來的制約。因此，欠驅動無人船在靠泊時需要確保船體與岸壁之間留有足夠的安全距離，進而提高自動靠泊的安全性。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的問題是確保無人船在時變約束下有更好的操作性能和安全性能，提出一種考慮時變約束的欠驅動無人船自動靠泊控制方法、電子設備及存儲介質。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過以下技術方案實現(xiàn)：

3、一種考慮時變約束的欠驅動無人船自動靠泊控制方法，包括如下步驟：

4、s1.根據欠驅動無人船在水面的運動情況，基于無人船在水面的縱蕩、橫蕩和艏搖三個自由度，建立欠驅動無人船數(shù)學模型；

5、s2.構建正切型障礙李雅普諾夫函數(shù)，設置約束邊界作為判斷依據，當系統(tǒng)輸出誤差大于約束邊界時符合李雅普諾夫函數(shù)，當系統(tǒng)輸出誤差小于等于約束邊界時應用正切型障礙李雅普諾夫函數(shù)；

6、s3.對步驟s1得到的欠驅動無人船數(shù)學模型進行微分同胚變換，然后對微分同胚變換后的欠驅動無人船數(shù)學模型進行變量代換，得到變換后的縱蕩子系統(tǒng)模型和變換后的艏向子系統(tǒng)模型；

7、s4.基于步驟s3得到的變換后的縱蕩子系統(tǒng)模型，考慮無人船在靠泊近岸時位置及縱蕩速度的約束問題，使用步驟s2設計的正切型障礙李雅普諾夫函數(shù)設計考慮時變約束邊界的縱蕩自動靠泊控制器；

8、s5.基于步驟s3得到的變換后的艏向子系統(tǒng)模型，考慮無人船在靠泊近岸時艏向角及艏向角速度的約束問題，使用步驟s2設計的正切型障礙李雅普諾夫函數(shù)設計考慮時變約束邊界的艏向自動靠泊控制器；

9、s6.基于步驟s4得到的考慮時變約束邊界的縱蕩自動靠泊控制器和步驟s5得到的考慮時變約束邊界的艏向自動靠泊控制器，在欠驅動無人船上進行仿真驗證。

10、進一步的，步驟s1的具體實現(xiàn)方法包括如下步驟：

11、s1.1.構建大地坐標系下的欠驅動無人船運動學模型，表達式為：

12、

13、其中，分別為欠驅動無人船在大地坐標系下的北向位置、東向位置的一階導數(shù)，ψ為欠驅動無人船在大地坐標系下的艏向角度，為欠驅動無人船在大地坐標系下的艏向角度的一階導數(shù)，u為縱蕩速度，v為橫蕩速度，r為艏向角速度；

14、s1.2.構建附體坐標系下的欠驅動無人船動力學模型，表達式為：

15、

16、其中，分別為縱蕩速度、橫向速度、艏向角速度的一階導數(shù)，為慣性參數(shù)，其中m為欠驅動無人船的質量，和分別為欠驅動無人船在縱蕩、橫蕩和艏搖上產生的附加質量系數(shù),d11＝-xu，d22＝-yv，d33＝-nr，xu、yv和nr分別為欠驅動無人船在縱蕩、橫蕩和艏搖上產生的線性阻尼系數(shù)，τu、τr分別為無人船的縱蕩推力和轉向力矩；

17、s1.3.構建欠驅動無人船數(shù)學模型的矩陣形式，表達式為：

18、

19、其中，為欠驅動無人船在大地坐標系下的位置一階導數(shù)向量，η＝[x,y,ψ]t為欠驅動無人船在大地坐標系下的位置向量，υ＝[u,v,r]t為欠驅動無人船在附體坐標系下的速度向量，j(ψ)為轉換矩陣，m為慣性參數(shù)矩陣，c(υ)為科里奧利向心力矩陣，d(υ)為阻尼參數(shù)矩陣，τ為無人船運動的控制輸入向量，表達式如下：

20、

21、τ＝[τu,0,τr]t

22、進一步的，步驟s2的具體實現(xiàn)方法包括如下步驟：

23、s2.1.構建正切型障礙李雅普諾夫函數(shù)，表達式為：

24、

25、其中，vi為第i個正切型障礙李雅普諾夫函數(shù)，ei為系統(tǒng)輸出第i個誤差，fi為系統(tǒng)輸出第i個誤差的約束邊界，n為系統(tǒng)輸出的總個數(shù)；

26、s2.2.設置正切型障礙李雅普諾夫函數(shù)的具體約束條件，表達式為：

27、fi＝ea-bt+c

28、fi是關于時間t的指數(shù)衰減函數(shù)，其中a≥0，b∈[0,1)，c＞0；c為時間t趨近于無窮時約束邊界fi的穩(wěn)態(tài)值，b為約束邊界fi的收斂速度，即當約束邊界為無窮時，相當于此時ei為無約束情況；a為約束邊界fi的基準值，決定約束邊界的初始值(請給出子母含義)；系統(tǒng)輸出誤差滿足|ei|≤|fi|；

29、s2.3.對步驟s2.1得到的v求導，得到表達式為：

30、

31、其中，

32、進一步的，步驟s3的具體實現(xiàn)方法包括如下步驟：

33、s3.1.對步驟s1得到的欠驅動無人船數(shù)學模型進行微分同胚變換，表達式為：

34、h＝jt(ψ)η

35、其中，h＝[h1,h2,h3]t為變換后的位置向量，分別為變換后的北向位置h1、東向位置h2以及艏向角度h3，經過微分同胚變換將欠驅動無人船在大地坐標系中的位置及姿態(tài)信息轉換到隨動坐標系中；

36、s3.2.對步驟s3.1得到的變換后的位置向量對時間t求導，得到變換后的位置向量的導數(shù)表達式為：

37、

38、基于代入變換后的位置向量的導數(shù)后得到微分同胚變換后的欠驅動無人船數(shù)學模型如下：

39、

40、s3.3.為了簡化后續(xù)控制器設計過程，定義以下變量代換；

41、定義令并引入變量得到經過變量代換后的欠驅動無人船數(shù)學模型如下：

42、

43、s3.4.令l1＝h1、l2＝h2、l3＝h3、l4＝θ、l5＝v、l6＝r，得到相互級聯(lián)的欠驅動無人船數(shù)學模型，表達式為：

44、

45、其中，

46、變換后的縱蕩子系統(tǒng)模型，表達式為：

47、

48、變換后的艏向子系統(tǒng)模型，表達式為：

49、

50、進一步的，步驟s4的具體實現(xiàn)方法包括如下步驟：

51、s4.1.基于步驟s3得到的變換后的縱蕩子系統(tǒng)模型，定義位置誤差e1和縱蕩速度誤差e2，表達式為：

52、

53、其中，α1為待設計的縱蕩子系統(tǒng)的虛擬控制器；

54、s4.2.設計縱蕩子系統(tǒng)的虛擬控制器α1，表達式為：

55、

56、其中，k1和k3為大于零的常數(shù)，f1為位置誤差e1的約束邊界；

57、s4.3.對縱蕩子系統(tǒng)的虛擬控制器α1求導，得到表達式為：

58、

59、s4.4.設計考慮時變約束的縱蕩自動靠泊控制器τθ，表達式為：

60、

61、其中，k2＞0，且為常數(shù)，f2為縱蕩速度誤差e2的約束邊界。

62、進一步的，步驟s5的具體實現(xiàn)方法包括如下步驟：

63、s5.1.基于步驟s3得到的變換后的艏向子系統(tǒng)模型，定義轉向角度誤差e3和角速度誤差e4，表達式為：

64、

65、其中，α2為待設計的艏向子系統(tǒng)的虛擬控制器；

66、s5.2.設計艏向子系統(tǒng)的虛擬控制器，表達式為：

67、

68、其中，k4＞0，且為常量，f3為轉向角度誤差e3的約束邊界；

69、s5.3.對艏向子系統(tǒng)的虛擬控制器α2求導，得到表達式為：

70、

71、s5.4.設計考慮時變約束的艏向自動靠泊控制器τ3，得到表達式為：

72、

73、其中，k5＞0，且為常量。

74、一種電子設備，包括存儲器和處理器，存儲器存儲有計算機程序，所述的處理器執(zhí)行所述計算機程序時實現(xiàn)所述的一種考慮時變約束的欠驅動無人船自動靠泊控制方法的步驟。

75、一種計算機可讀存儲介質，其上存儲有計算機程序，所述計算機程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)所述的一種考慮時變約束的欠驅動無人船自動靠泊控制方法。

76、本發(fā)明的有益效果：

77、本發(fā)明所述的一種考慮時變約束的欠驅動無人船自動靠泊控制方法，針對無人船在作業(yè)完成后靠泊近岸時會受到位置和速度的約束問題，設計一種考慮時變約束的正切型障礙李雅普諾夫函數(shù)的欠驅動無人船自動靠泊控制方法，通過構建衰減型的指數(shù)函數(shù)約束邊界，保證無人船在靠泊初期，因距離岸壁較遠而不受約束的限制，當船體與岸壁達到一定距離后，受到約束的限制，以便提高無人船在自動靠泊過程中的安全性。