Safety-Critical Disturbance Rejection Control for Capsizing Prevention of an Unmanned Sailboat

反推 控制理论(社会学) 扰动(地质) 工程类 理论(学习稳定性) 控制系统 序列二次规划 滤波器(信号处理) 李雅普诺夫函数 国家观察员 控制(管理) 自抗扰控制 观察员(物理) 欠驱动 控制工程 海洋工程 计算机科学 执行机构 二次规划 弹道 车辆动力学 晃动动力学 航向(导航) 运动控制 电子稳定控制 功能(生物学) Lyapunov稳定性 最优控制
作者
Bo Peng,Zhengru Ren
出处
期刊:IEEE Transactions on Automation Science and Engineering [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:23: 1830-1841 被引量:9
标识
DOI:10.1109/tase.2025.3648924
摘要

The capsizing of unmanned sailboats primarily results from strong winds, high waves, and improper maneuvering. However, most existing unmanned sailboat control approaches do not explicitly address roll dynamics or capsizing prevention. This paper investigates the capsizing prevention of an unmanned sailboat in the presence of the model uncertainties and unknown environmental disturbances. A safety-critical disturbance rejection control method is proposed to ensure the safe maneuvering of unmanned sailboat. Specifically, an extended state observer is presented to not only filter the velocity measurements, but also estimate the total disturbance composed by the model uncertainties and unknown environmental disturbances. By using the backstepping technology, the virtual guidance and control law is then derived. Both the control barrier function (CBF) and the input-to-state safe CBF are introduced to construct the safety condition. Based on the safety constraint, a quadratic programming problem is formulated to obtain an optimal safety-critical control law. Furthermore, the input-to-state stability of the closed-loop system is proven by Lyapunov theory, while its input-to-state safety is guaranteed. Comparative simulations under different disturbance scenarios using the developed high-fidelity unmanned sailboat model demonstrate the effectiveness of the proposed control method in capsizing prevention.
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