本文關鍵詞：基于自抗擾控制算法的水面無人艇航向自動舵設計

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【摘要】：無入艇的關鍵技術是自主航行和智能避碰,而自動舵是其關鍵設備。由于無人艇自身的動態(tài)模型不僅具有參數(shù)不確定性、非線性等特點,而且在航行過程中易受到風、浪、流等海洋環(huán)境的干擾,解決無人艇運動控制的魯棒性問題尤為重要。為此,本文結合ADRC在相關領域的研究,將自抗擾控制算法應用于水面無人艇的航向控制。 本文闡述了課題的研究背景和意義,介紹了國內外水面無人艇的發(fā)展現(xiàn)狀及自動舵的發(fā)展歷程,分析了無人艇航向控制的研究現(xiàn)狀。全面敘述了自抗擾控制技術的提出、發(fā)展歷程以及應用研究現(xiàn)狀。分析了經典PID控制的優(yōu)缺點和改進措施,論述了自抗擾控制器的結構組成和基本原理。針對帶有舵機非線性特性的的二階Nomoto模型,基于二階ADRC設計了無人艇航向自抗擾控制器。 本文采用整體型建模思想,建立了響應型無人艇三自由度平面運動的線性化數(shù)學模型,給出了舵機模型,并建立了風、浪、流環(huán)境干擾數(shù)學模型。基于所建立的數(shù)學模型,分別在有無環(huán)境干擾和參數(shù)攝動的情況對自抗擾控制器進行了仿真研究,并與PID控制器進行了仿真對比。仿真結果驗證了自抗擾控制的有效性,自抗擾控制器對于無人艇航向運動的非線性、不確定性和環(huán)境干擾均具有較強的魯棒性,不僅能實現(xiàn)平滑操舵,而且操舵量小,節(jié)約了能源,滿足無人艇高精度航向控制的要求。 本文根據航向自動舵的要求,對硬件進行了詳細設計,對于各功能軟件模塊進行了編程調試,以STM32為核心控制器的無人艇航向自動舵能夠滿足了無人艇航向控制的功能需求。
【關鍵詞】：水面無人艇 航向控制 自抗擾控制器 自動舵
【學位授予單位】：大連海事大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：U664.36;U674.7
【目錄】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-9
• 第1章 緒論9-17
• 1.1 課題背景和研究意義9-10
• 1.2 水面無人艇發(fā)展現(xiàn)狀10-16
• 1.2.1 國內外無人艇研究現(xiàn)狀10-11
• 1.2.2 自動舵的發(fā)展11-12
• 1.2.3 無人艇航向控制研究現(xiàn)狀12-14
• 1.2.4 自抗擾控制器的發(fā)展和研究現(xiàn)狀14-16
• 1.3 論文結構16-17
• 第2章 水面無人艇運動及干擾數(shù)學模型17-26
• 2.1 無人艇運動數(shù)學模型17-22
• 2.1.1 無人艇運動坐標系17-18
• 2.1.2 無人艇三自由度平面運動18
• 2.1.3 無人艇平面運動數(shù)學模型18-21
• 2.1.4 無人艇線性響應型數(shù)學模型21-22
• 2.2 舵機模型22-23
• 2.3 干擾數(shù)學模型23-25
• 2.3.1 海風干擾23-24
• 2.3.2 海浪干擾24-25
• 2.3.3 海流干擾25
• 2.4 本章小結25-26
• 第3章 水面無人艇航向自抗擾控制器設計26-43
• 3.1 經典PID控制器的優(yōu)點和缺陷26-27
• 3.2 自抗擾控制器的組成27-33
• 3.2.1 跟蹤微分器(TD)28-30
• 3.2.2 擴張狀態(tài)觀測器(ESO)30-32
• 3.2.3 非線性狀態(tài)誤差反饋(NLSEF)32-33
• 3.3 無人艇航向自抗擾控制器設計33-35
• 3.3.1 自抗擾控制器的算法設計33-34
• 3.3.2 無人艇航向自抗擾控制器的參數(shù)整定34-35
• 3.4 無人艇航向控制的仿真分析35-41
• 3.4.1 無外界干擾下的控制仿真37-39
• 3.4.2 海浪干擾下的控制仿真39-41
• 3.4.3 參數(shù)攝動時的控制仿真41
• 3.5 本章小結41-43
• 第4章 航向自動舵的設計方案43-55
• 4.1 航向自動舵的硬件設計43-48
• 4.1.1 系統(tǒng)概述43-44
• 4.1.2 微控制器44-45
• 4.1.3 供電電路設計45
• 4.1.4 串口通訊電路設計45-46
• 4.1.5 舵角反饋電路設計46-47
• 4.1.6 操舵控制電路設計47-48
• 4.1.7 LCD液晶顯示電路設計48
• 4.2 航向自動舵系統(tǒng)的軟件設計48-54
• 4.2.1 PC機程序設計48-50
• 4.2.2 PC機與艇載信息綜合處理系統(tǒng)的串口通訊協(xié)議50
• 4.2.3 PC機與單片機之間的串口通訊協(xié)議50-51
• 4.2.4 微控制器程序流程圖51-52
• 4.2.5 工作模式流程圖52-54
• 4.3 本章小結54-55
• 第5章 總結與展望55-57
• 5.1 總結55
• 5.2 存在的問題和改進55-56
• 5.3 展望56-57
• 參考文獻57-61
• 附錄61-65
• 致謝65

【參考文獻】

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本文編號：1039803