中国舰船研究2024,Vol.19Issue(1) :119-127.DOI:10.19693/j.issn.1673-3185.03227

基于改进反步滑模控制算法的拖轮自主靠泊控制

Autonomous berthing control of tugboat based on improved backstepping sliding mode control algorithm

刘佳仑 董智霖 李诗杰 游旭 胡英俊
中国舰船研究2024,Vol.19Issue(1) :119-127.DOI:10.19693/j.issn.1673-3185.03227

基于改进反步滑模控制算法的拖轮自主靠泊控制

Autonomous berthing control of tugboat based on improved backstepping sliding mode control algorithm

刘佳仑 1董智霖 2李诗杰 3游旭 2胡英俊4
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作者信息

  • 1. 武汉理工大学 水路交通控制全国重点实验室 ,湖北 武汉 430063;中国船舶航海保障技术实验室,天津 300131;武汉理工大学 智能交通系统研究中心,湖北 武汉 430063;国家水运安全工程技术研究中心,湖北 武汉 430063
  • 2. 武汉理工大学 水路交通控制全国重点实验室 ,湖北 武汉 430063;武汉理工大学 交通与物流工程学院,湖北 武汉 430063
  • 3. 武汉理工大学 水路交通控制全国重点实验室 ,湖北 武汉 430063;中国船舶航海保障技术实验室,天津 300131;武汉理工大学 交通与物流工程学院,湖北 武汉 430063
  • 4. 中国船舶航海保障技术实验室,天津 300131;天津航海仪器研究所,天津 300131
  • 折叠

摘要

[目的]针对拖轮的自主靠泊控制问题,研究基于虚拟船领导的目标跟踪控制策略在拖轮自主靠泊中的应用.[方法]首先,将拖轮的自主靠泊过程转变为虚拟拖轮和实际拖轮的目标跟踪控制过程;然后,设计靠泊系统的运动学模型,考虑靠泊场景中的特殊环境干扰,使用反步法和滑模控制法(SMC)设计全回转尾推进拖轮的自主靠泊控制器,提供了 3 种不同的滑模面设计并使用李雅普诺夫函数进行稳定性验证;最后,采用仿真实验的方式,通过靠泊轨迹、速度误差和距离误差来对控制的效果进行验证.[结果]仿真实验结果表明,设计的拖轮自主靠泊控制策略以及控制器在拖轮自主靠泊场景中具有较好的效果,面对系统的不确定干扰有较好的表现.[结论]该控制策略以及靠泊控制器的适用性以及鲁棒性较好,以全新的角度实现了拖轮自主靠泊控制,为后续拖轮的靠泊控制研究提供了新的方向.

Abstract

[Objective]Aiming at the problem of the autonomous berthing control of tugboats,this study fo-cuses on the application of a target tracking control strategy based on virtual leadership.[Methods]First,the autonomous berthing process of the tugboat is transformed into the target tracking control process of the virtual tugboat and actual tugboat.A kinematics model of the berthing system is then designed.Consider-ing special environmental interference in the berthing scenario,the backstepping method and sliding mode control method are used to design an autonomous berthing controller for an azimuth stern drive tugboat.Three different sliding mode surfaces are provided and the stability is verified by the Lyapunov function.Finally,a simulation test is used to verify the control effect through the berthing trajectory,speed error and distance er-ror.[Results]The simulation results show that the designed tugboat autonomous berthing control strategy and controller have a good effect in the tugboat autonomous berthing scenario and good performance in the face of uncertain disturbances of the system.[Conclusions]The control strategy and berthing controller de-signed in this paper have good applicability and robustness.The autonomous berthing control of tugboats is realized from a new angle,providing a new direction for subsequent research on the berthing control of tugboats.

关键词

欠驱动拖轮/自主靠泊/目标跟踪控制/反步法/滑模控制

Key words

under-actuated tugboat/autonomous berthing/target tracking control/backstepping method/sliding mode control

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基金项目

国家重点研发计划资助项目(2022YFE0125200)

国家自然科学基金资助项目(62003250)

国家自然科学基金资助项目(52272425)

中国船舶航海保障技术实验室开放基金资助项目(2022010301)

出版年

2024
中国舰船研究
中国舰船研究设计中心

中国舰船研究

CSTPCDCSCD北大核心
影响因子:0.496
ISSN:1673-3185
参考文献量18
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