【摘要】：目前,世界各國圍繞海洋權(quán)益的爭奪日益升溫,世界大國正將目光轉(zhuǎn)向海洋。隨著科技的發(fā)展,無人化、智能化的設(shè)備越來越多,適應(yīng)這一趨勢的水面無人艇受到世界各大國的重視。無人艇作為一種無人智能海洋運(yùn)載平臺,可以在復(fù)雜的水域環(huán)境中自主航行與作業(yè),并且它具有較好的操作性、控制性、靈活性和可靠性。它在未來戰(zhàn)爭、海洋科研中都是較好的選擇。在領(lǐng)海監(jiān)視、海洋研究、海圖繪制、通信中繼、等領(lǐng)域有極廣的應(yīng)用前景。在船舶運(yùn)動控制領(lǐng)域,船舶的航跡跟蹤控制一直是重點(diǎn)研究的課題。雖然目前國內(nèi)對水面無人艇航機(jī)跟蹤的研究有不少,但是大部分是停留在理論研究仿真階段。本文將采用理論分析、模型仿真以及實(shí)物驗(yàn)證相結(jié)合的方式,對水面無人艇的航跡跟蹤控制器進(jìn)行設(shè)計(jì),同時(shí)在實(shí)物無人艇上對算法進(jìn)行驗(yàn)證以實(shí)現(xiàn)航跡跟蹤的目標(biāo)。無人艇的航跡控制方式直接和間接兩種方式,由于在直接控制方式中很難獲得模型的動態(tài)參數(shù),所以本文選擇使用間接航跡控制方式。這種算法的算法結(jié)構(gòu)相對簡單,同時(shí)在技術(shù)上比較可靠,在工程上比較容易實(shí)現(xiàn)。間接航跡控制方式,在控制器設(shè)計(jì)時(shí)需要分別考慮設(shè)計(jì)航跡控制器和航向控制器。根據(jù)無人艇航跡跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求,本文主要分為船舶模型建立、航向控制器設(shè)計(jì)與仿真、航跡跟蹤控制器設(shè)計(jì)與仿真、航跡跟蹤算法的實(shí)物驗(yàn)證四部分。首先,本文通過建立坐標(biāo)系入手,對船舶進(jìn)行受力分析,建立船舶六自由度方程,然后通過簡化將模型變?yōu)榇八嫒杂啥确匠?根據(jù)Abkowitz提出了小擾動和Taylor展開方法進(jìn)行簡化計(jì)算,將船舶模型化為K-T方程,為航跡跟蹤控制提供數(shù)學(xué)模型。其次,航向控制的方法有很多種,通過對各種算法進(jìn)行比較,本文采用的是廣義預(yù)測控制的算法進(jìn)行航向控制。GPC以預(yù)測模型為基礎(chǔ),采用在每個(gè)采樣點(diǎn)的有限采樣時(shí)間內(nèi)不斷向前滾動優(yōu)化,并利用實(shí)際測量數(shù)據(jù)通過反饋校正控制量誤差,克服系統(tǒng)由于參數(shù)變化、干擾等因素引起的模型變化和系統(tǒng)的不確定性。本文先對廣義預(yù)測算法進(jìn)行理論推導(dǎo),然后設(shè)計(jì)控制策略。根據(jù)建立好的船舶模型,在輸入給定的航向角后,對模型的輸出進(jìn)行預(yù)測,預(yù)測出參考軌跡,由控制器發(fā)出指令舵角,船舶開始運(yùn)動,然后將船舶當(dāng)前狀態(tài)下的舵角反饋給控制器,對原來的指令舵角進(jìn)行優(yōu)化及校正。然后,本文采用的是LOS導(dǎo)航算法對航跡控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)。LOS導(dǎo)航算法利用位置高效地獲取期望航向角,期望航向的獲取獨(dú)立于動力學(xué)控制器,只與實(shí)際位置和給定航跡有關(guān)。該算法利用了船舶位置與期望位置之間簡單的幾何關(guān)系判斷可視性,然后得出期望航向角。將船舶的位置和舵角分別反饋給LOS算法和GPC控制器,LOS計(jì)算出期望航向角,GPC控制器跟蹤該航向角,得到新的指令舵角,重復(fù)上述操作就實(shí)現(xiàn)了船舶航跡的連續(xù)跟蹤。最后,將設(shè)計(jì)的基于廣義預(yù)測控制的航跡跟蹤控制器應(yīng)用到HUSTER-12s無人艇航跡跟蹤控制中。實(shí)船實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了該方法在實(shí)際水域環(huán)境下的可行性和有效性,而且控制精度高,具有實(shí)用價(jià)值。
【學(xué)位授予單位】：河南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：U664.82
【圖文】：

基于廣義預(yù)測控制的無人艇航跡跟蹤研究而其中0Z 軸指向垂直于00X -Y平面，指向地心，而0i 表0 軸的單位向量，0k 表示0Z 軸的單位向量。對于動坐標(biāo)的中點(diǎn)，其中x軸、y 軸、z 軸分別指向船首、右舷、龍單位向量。坐標(biāo)系統(tǒng)oxyz是建立在船舶上的，在空間上慣性坐標(biāo)系[3-5]。

0sinseccossec坐標(biāo)系與大地直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換發(fā)展，手機(jī)導(dǎo)航，車載導(dǎo)航，人們出門前總要導(dǎo)航一下變得越來越重要。GPS 定位成果屬于 WGS-84 坐標(biāo)系標(biāo)系。GPS 確定的位置為經(jīng)緯度，多數(shù)情況定位的坐標(biāo)為了解決這個(gè)問題，需要研究大地直角坐標(biāo)系和 WGS者不管是在位置、方向還是尺度上有一個(gè)固定的關(guān)系[地坐標(biāo)系為一個(gè)協(xié)議地球參考系。這一坐標(biāo)系是按照S(國際地球參考系)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定義的。原點(diǎn)選取在整量中心，參考 IERS 的標(biāo)準(zhǔn)，Z 軸指向 IRP 方向， X 軸 軸正交的赤道面的交線，坐標(biāo)系符合右手直角坐標(biāo)系，。

rIpIqIrIqIpyzxyyyxzxyxxxzzzxz面三自由度一般方程立的數(shù)學(xué)模型包括有前進(jìn)、橫移、轉(zhuǎn)首、由度上運(yùn)動。在工程上，需要在滿足實(shí)際的動態(tài)特性航向控制，航跡控制等進(jìn)行研移方向上的運(yùn)動v以及船舶以Z 軸為轉(zhuǎn)軸運(yùn)動的影響，一般做忽略不計(jì)處理。此軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，因而取 w p q 0。這型進(jìn)行簡化，化簡成一個(gè)三個(gè)自由度的舵角用 表示，漂角用 表示，船舶的運(yùn)

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2770199