在各種不確定的海洋環(huán)境因素干擾下,利用有效的控制算法實(shí)現(xiàn)航跡跟蹤控制是無人船(Unmanned Surface Vessel,USV)能順利完成科研勘探、水文測(cè)繪、搜救巡邏等任務(wù)的前提。由于無人船的非線性、高階性以及不確定性,為其建立精確的動(dòng)力學(xué)模型具有很大難度。在現(xiàn)有的研究中多數(shù)控制器的參考輸入是期望的縱蕩速度和船舶的航向角,將其定義為時(shí)間的函數(shù)可能會(huì)使欠驅(qū)動(dòng)無人船偏離期望航跡。為解決以上問題,本文將船舶制導(dǎo)系統(tǒng)與航向控制算法集成,針對(duì)無人船的控制算法開展研究工作。本文首先基于分離型機(jī)理模型,建立了無人船六自由度的運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型以及干擾模型,為后續(xù)控制器的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。制導(dǎo)和控制是船舶控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜自動(dòng)航行任務(wù)的兩大重要模塊。在制導(dǎo)方面,針對(duì)當(dāng)前的視線(Lineof Sight,LOS)制導(dǎo)算法存在當(dāng)航跡誤差較大時(shí)無人船收斂到期望航跡的速度較慢,以及在航路點(diǎn)位置附近采用自動(dòng)轉(zhuǎn)向的缺點(diǎn),提出了改進(jìn)LOS制導(dǎo)算法。該算法能在航跡誤差較大時(shí),引導(dǎo)船舶快速收斂到航線,在航途參考點(diǎn)切換過程中提供了合理的導(dǎo)航機(jī)制。在控制方面,本文針對(duì)固定增益PID控制器通常不能在某些工作點(diǎn)提供令人滿意的控制性能,以及控制參數(shù)整定困難的問題,設(shè)計(jì)了 PID-GA控制器。利用遺傳算法(Genetic Algorithm,GA)針對(duì)不同的航跡及海況選擇最優(yōu)增益參數(shù),根據(jù)航跡和海況的變化在線進(jìn)行增益調(diào)節(jié)。仿真結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的PID-GA控制器較傳統(tǒng)PID控制器具有更好的自適應(yīng)能力和抗干擾能力,但是仍然沒能實(shí)現(xiàn)智能控制。最后,針對(duì)船舶操縱的固有非線性、不確定性和欠驅(qū)動(dòng)特性,以及無法獲得無人船精確的運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型,本文利用強(qiáng)化學(xué)習(xí)中深度確定性策略梯度(Deep Deterministic Policy Gradient,DDPG)算法設(shè)計(jì)了 DDPG-H控制器,實(shí)現(xiàn)了智能控制。DDPG-H控制器通過環(huán)境的實(shí)時(shí)反饋?zhàn)灾鲗W(xué)習(xí)控制無人船跟蹤已知航跡,仿真結(jié)果證明了 DDPG-H控制器具有良好的控制性能,能完成高精度的航跡跟蹤。
【學(xué)位單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：U664.82
【部分圖文】：

縱觀無人船的整個(gè)發(fā)展歷程，無人船的軍事應(yīng)用大大地促進(jìn)了其發(fā)展。美國逡逑是研究無人船相對(duì)較早的國家，早在第二次世界大戰(zhàn)時(shí)期，美軍就在無人船上架逡逑設(shè)槍炮和導(dǎo)彈用于作戰(zhàn)。如圖１．１邋（ａ）所示，美國在２００２年進(jìn)行了各種實(shí)驗(yàn)試逡逑航的“斯巴達(dá)偵察兵”，增強(qiáng)了無人船的自主航行和載重能力，它是高新技術(shù)的逡逑示范項(xiàng)目及無人船的標(biāo)志性代表，其各項(xiàng)技術(shù)水平在當(dāng)時(shí)均已遙遙領(lǐng)先。如圖１．１逡逑（ｂ）所示，２０１６年美國１３２英尺長的“ＳｅａＨｕｎｔｅｒ”號(hào)已下水，在世界各大洋巡逡逑邏追逐和跟蹤敵潛艇，這艘世界上最大的無人船，將獨(dú)立完成所有任務(wù)。逡逑（ａ）斯巴達(dá)偵察兵邐（ｂ）邋Ｓｅａ邋Ｈｕｎｔｅｒ逡逑圖１．１斯巴達(dá)偵察兵和Ｓｅａ邋Ｈｕｎｔｅｒ逡逑作為一個(gè)沿海國家，以色列在無人船的研究上也毫不遜色于美國。２００３年，逡逑以色列研發(fā)了“保護(hù)者”，如圖１．２所示，幾乎與美國的“斯巴徸偵察兵”在同逡逑一時(shí)期，但是在性能上增加了隱身功能，一時(shí)成為了世界各國關(guān)注的焦點(diǎn)。隨后，逡逑以色列研制了性能優(yōu)越的“銀色馬林魚”

處于快速發(fā)展階段，但在研究真正意義上的無人船自主航行與美國等西方國家仍逡逑有較大差異。２００８年，沈陽航天新光集團(tuán)有限公司自主研發(fā)的“天象一號(hào)”無人逡逑船下水試驗(yàn)成功，如圖１．３邋（ａ）所示，主要用于氣象探測(cè)和水文參數(shù)測(cè)量，我逡逑國第一艘真正無人駕駛的船舶由此誕生。逡逑沈陽自動(dòng)化研究所、哈爾濱工程大學(xué)及上海大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)在無人駕駛船舶逡逑的發(fā)展上也取得了邋一定的進(jìn)展。沈陽自動(dòng)化研究所研發(fā)了一艘采用直流電驅(qū)動(dòng)的逡逑三體式無人船；哈爾濱工程大學(xué)在研制水下智能機(jī)器人方面積累了大量的研究經(jīng)逡逑４逡逑

逑驗(yàn)，現(xiàn)在正致力于無人船的船體設(shè)計(jì)和自主導(dǎo)航等的研究［１６］；上海大學(xué)研發(fā)的逡逑“精�！毕盗袩o人船，如圖１．３邋（ｂ）所示，具有半自主、全自主開放式的平臺(tái)，逡逑可方便有效地搭載偵察、測(cè)量、傳感等各種任務(wù)載荷。逡逑（ａ）天象一號(hào)邐（ｂ）精海逡逑圖１．３天象一號(hào)和精海逡逑在國內(nèi)，中國第一家專注于無人船技術(shù)的企業(yè)，當(dāng)屬珠海云洲智能科技有限逡逑公司。其設(shè)計(jì)的產(chǎn)品涉及水質(zhì)監(jiān)測(cè)、水上巡邏、水域研究等方面，先后推出了逡逑ＭＥ７０測(cè)繪無人船、ＥＳＭ３０采樣監(jiān)測(cè)無人船、Ｌ３０水上消防無人艇、Ｍ８０Ｂ探測(cè)逡逑無人船等。圖１．４邋（ａ）所示為一艘云洲無人艇。２０１７年，由中國船級(jí)社和其他研逡逑究機(jī)構(gòu)攜手云洲聯(lián)合推出了世界上第一個(gè)小型無人船項(xiàng)目，這艘無人貨船命名為逡逑“筋斗云”，如圖１．４邋（ｂ）所示。逡逑（ａ）云洲無人艇邐（ｂ）筋斗云逡逑圖丨．４云洲無人艇和筋斗云逡逑１．３無人船航跡跟蹤研究現(xiàn)狀逡逑目前，對(duì)無人船運(yùn)動(dòng)控制的研究主要有以下兩個(gè)基本任務(wù)：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)控制逡逑和航跡跟蹤控制｜１７］。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)控制，即姿態(tài)德定控制，包括動(dòng)態(tài)定位和自動(dòng)泊逡逑位控制。根據(jù)航跡、航向等偏差與時(shí)間的關(guān)系

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2822824