本发明涉及自动控制，尤其涉及一种船舶航向自适应事件触发控制方法及装置。

背景技术：

1、随着全球航运业向智能化与自主化方向快速发展，作为海上交通运输核心技术的船舶航向控制系统引起了广泛关注。船舶作为典型的强耦合、欠驱动非线性系统，其运动控制涉及复杂的动力学特性。在实际航行中，船舶往往受到复杂的非线性水动力系数不确定性的严重影响。传统的比例-积分-微分（proportional-integral-derivative，pid）控制等线性控制方法由于缺乏对非线性项的有效补偿，难以在复杂海况下满足高精度的航向跟踪要求。

2、因此，如何实现高效稳定的航行控制，成为了业界亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明提供一种船舶航向自适应事件触发控制方法及装置，用以解决现有技术中难以在复杂海况下满足高精度的航向跟踪要求的缺陷，实现高效稳定的航行控制。

2、本发明提供一种船舶航向自适应事件触发控制方法，包括：

3、获取船舶的实际航向角和实际艏摇角速度，构建船舶非线性运动模型，并基于设定的期望跟踪航向，计算航向跟踪误差；

4、获取具有预设收敛特性的预设性能函数，利用所述预设性能函数以及设定的平滑转换函数，将所述航向跟踪误差映射为无约束的转换误差变量；

5、基于所述转换误差变量构建针对艏摇角速度的虚拟控制律，并根据所述实际艏摇角速度与所述虚拟控制律的差值计算艏摇角速度误差；

6、基于所述转换误差变量、所述艏摇角速度误差以及自适应参数估计律构建理想连续控制律；其中，在构建所述理想连续控制律的过程中，将所述艏摇角速度误差代入设定的对称障碍李雅普诺夫函数，所述对称障碍李雅普诺夫函数包含角速度误差边界约束参量；

7、计算当前的所述理想连续控制律与当前作用于船舶执行机构的实际控制输出信号之间的量化触发误差；

8、当判定所述量化触发误差大于或等于事件触发条件阈值时，将当前的所述理想连续控制律更新为新的实际控制输出信号发送至所述船舶执行机构。

9、在一些实施例中，所述当判定所述量化触发误差大于或等于事件触发条件阈值时，将当前的所述理想连续控制律更新为新的实际控制输出信号发送至所述船舶执行机构，包括：

10、基于如下公式判定是否更新实际控制输出信号：

11、；

12、其中，为量化触发误差；为当前作用于船舶执行机构的实际控制输出信号；为动态相对触发阈值参数，，其中，与为设定阈值衰减特性的正常数，且；为绝对触发阈值正常数。

13、在一些实施例中，所述获取具有预设收敛特性的预设性能函数，利用所述预设性能函数以及设定的平滑转换函数，将所述航向跟踪误差映射为无约束的转换误差变量，包括：

14、所述预设性能函数的公式如下：

15、；

16、其中，为预设性能函数值；为设定的初始边界范围；为设定的稳态精度范围；为设定的收敛速率因子；为时间；

17、基于如下公式计算所述转换误差变量：

18、；

19、其中，为转换误差变量；为航向跟踪误差；和为设定的用来调节误差边界的权重常数。

20、在一些实施例中，所述基于所述转换误差变量构建针对艏摇角速度的虚拟控制律，包括：

21、通过如下公式计算所述虚拟控制律：

22、；

23、其中，为虚拟控制律；为设定的大于零的控制增益常数；为期望跟踪航向对时间的导数；为预设性能函数值对时间的导数；为中间变量，且。

24、在一些实施例中，所述基于所述转换误差变量、所述艏摇角速度误差以及自适应参数估计律构建理想连续控制律，包括：

25、获取用于补偿事件触发机制干扰的有界干扰常数项，以及设定的平滑参数；

26、根据所述转换误差变量、所述艏摇角速度误差、所述期望跟踪航向的二阶导数以及所述自适应参数估计律输出的非线性参数估计值，计算前馈与反馈补偿控制项；

27、结合所述前馈与反馈补偿控制项、所述有界干扰常数项以及双曲正切函数，计算所述理想连续控制律；所述理想连续控制律的具体计算公式如下：

28、；

29、其中，为理想连续控制律；为动态相对触发阈值参数；为前馈与反馈补偿控制项；为用于补偿事件触发引入的有界干扰常数项，满足；和为设定的双曲正切函数中大于零的平滑参数；为控制变量，，其中，为船舶运动模型的控制增益系数，为艏摇角速度误差，为预设的角速度误差约束边界常数。

30、在一些实施例中，所述自适应参数估计律输出的非线性参数估计值包括第一非线性参数估计值与第二非线性参数估计值，所述非线性参数估计值通过如下公式在线更新计算：

31、；

32、其中，和分别为第一非线性参数估计值与第二非线性参数估计值对时间的导数；为实际艏摇角速度；和为设定的自适应更新率正定增益常数；和为设定的泄漏项系数。

33、本发明提供一种船舶航向自适应事件触发控制装置，包括：

34、获取模块，用于获取船舶的实际航向角和实际艏摇角速度，构建船舶非线性运动模型，并基于设定的期望跟踪航向，计算航向跟踪误差；

35、转换模块，用于获取具有预设收敛特性的预设性能函数，利用所述预设性能函数以及设定的平滑转换函数，将所述航向跟踪误差映射为无约束的转换误差变量；

36、计算模块，用于基于所述转换误差变量构建针对艏摇角速度的虚拟控制律，并根据所述实际艏摇角速度与所述虚拟控制律的差值计算艏摇角速度误差；

37、设计模块，用于基于所述转换误差变量、所述艏摇角速度误差以及自适应参数估计律构建理想连续控制律；其中，在构建所述理想连续控制律的过程中，将所述艏摇角速度误差代入设定的对称障碍李雅普诺夫函数，所述对称障碍李雅普诺夫函数包含角速度误差边界约束参量；

38、触发误差计算模块，用于计算当前的所述理想连续控制律与当前作用于船舶执行机构的实际控制输出信号之间的量化触发误差；

39、更新模块，用于当判定所述量化触发误差大于或等于事件触发条件阈值时，将当前的所述理想连续控制律更新为新的实际控制输出信号发送至所述船舶执行机构。

40、本发明提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述船舶航向自适应事件触发控制方法。

41、本发明提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述船舶航向自适应事件触发控制方法。

42、本发明还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述船舶航向自适应事件触发控制方法。

43、本发明提供的船舶航向自适应事件触发控制方法及装置，通过将航向跟踪误差映射为无约束的转换误差变量，并在构建连续控制律时融合带有角速度误差边界约束参量的对称障碍李雅普诺夫函数，结合量化触发误差与事件触发阈值的比较机制，能够在量化保证航向跟踪收敛速度与稳态精度的同时，为船舶艏摇角速度提供安全硬边界保护以防止转向越界，并实现了控制信号的按需离散更新，从而有效降低执行机构的机械磨损与系统通信资源消耗。