基于超螺旋滑模的欠驱动船舶航迹跟踪控制.docx
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2022-11-04
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近年来，随着海洋事业的不断深入发展，实现对船舶的高精度控制俨然成为当下研究热点话题
[1]
，
而水面船舶作为典型的欠驱动系统，在缺少相应控制输入的同时又会受到海浪等不确定性干扰，使其控制
难度大大增加，故寻求有效的控制策略实现对欠驱动船舶的航迹跟踪控制具有重要的理论意义与应用价
值.
目前针对航迹跟踪控制已经取得较多的研究成果，其中包括自适应控制
[2-3]
、模型预测控制
[4-5]
、
Backstepping
[6]
、动态面控制
[7]
、神经网络控制
[8]
、滑模控制
[9-10]
等，而在上述控制方法中，滑模控制因具
备响应速度快，对扰动具有较强鲁棒性而得到较为广泛的应用，文[9-10]最早将滑模控制方法应用至欠驱
动船舶航迹跟踪问题中，设计关于横向跟踪误差的二阶滑动平面，以解决欠驱动船舶在横向方向没有驱动
力的问题，并通过实验验证其算法的可行性.文[11]在前文研究基础上，充分考虑船舶水动力阻尼系数存在
不确定性等问题进而设计滑模控制器，最终实现对设定航迹的跟踪控制.文[12]提出一种基于终端滑模的控
制方法，通过实验表明该方法可实现位置误差有限时间收敛.而针对终端滑模中存在的奇异性问题，文[13]
利用非奇异终端滑模设计跟踪控制器，该方法在保证误差有限时间收敛的同时又有效避免了奇异性问题.
上述文献虽取得一定的研究成果，但并未有效地抑制滑模控制中存在的“抖振”问题，而对于该问题
的研究，有学者指出可通过将控制变量作用在滑模变量的高阶导数上的方法，即采用高阶滑模控制方法以
实现抑制抖振且提高控制精度的效果.对此文[14]研究了高阶滑模在水面欠驱动船舶中的应用问题，并通过
仿真实验表明，该方法较传统滑模控制在提高系统鲁棒性、消除抖振方面具有更明显的作用.而在目前的
研究中，二阶滑模在保留高阶滑模优点的同时设计方面也更为简洁，因此得到更为广泛的应用，文[15-17]
以四旋翼飞行器为研究对象，使用二阶滑模中的超螺旋算法设计飞行器姿态控制器，并最终通过实验验证
该方法具有良好的控制性能.而在船舶运动控制方面，文[18]采用超螺旋算法设计船舶航向控制器，最终的
仿真结果表明该控制器能够有效地削弱抖振，同时实现航向快速稳定.文[19-20]针对航行器的航迹控制问
题采用超螺旋算法设计控制器，并通过对比仿真分析可知该方法具有更快的响应速度.至此，借鉴上述方
法，本文主要研究存在外界干扰情况下的欠驱动船舶的航迹跟踪控制，采用超螺旋二阶滑模控制方法设计
航迹跟踪控制器，最终通过仿真验证该算法的有效性.
1 欠驱动船舶数学模型
船舶运动共具有 6 个自由度，但对于船舶航迹跟踪控制而言，仅考虑其前进、横漂和艏摇运动，这
样一来便可简化为 3 个自由度的平面运动问题.
根据图 1 可得简化后的欠驱动船舶的动力学和运动学方程：
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