發(fā)布時間：2020-06-15 13:45

【摘要】：近年來,隨著海洋科學技術的不斷發(fā)展和進步,作為智能化海洋裝備的重要組成部分之一,水面無人艇(Unmanned Surface Vehicle,USV)的研究受到越來越廣泛的關注。海上環(huán)境復雜多變,保證USV在安全航行的前提下實現(xiàn)快速高精度的路徑跟蹤控制是完成USV戰(zhàn)略戰(zhàn)術目標的基礎,這就使得跟蹤路徑成為了USV運動控制研究的重要內(nèi)容之一。本文為實現(xiàn)USV高精度路徑跟蹤,在研究和參考大量國內(nèi)外研究成果的基礎上,針對存在未知環(huán)境擾動的USV路徑跟蹤控制問題,設計了基于擾動補償?shù)腢SV路徑跟蹤魯棒控制器,提高USV跟蹤性能,本文的研究內(nèi)容如下:1、建立了USV的三自由度船舶數(shù)學模型和擾動數(shù)學模型。首先,建立了分析船舶運動特性所需要的兩種參考坐標系,北東坐標系和船體坐標系;其次,分析船舶運動學和動力學特性,建立了USV船舶數(shù)學模型;然后,分析風、浪和洋流環(huán)境擾動,建立了這三種擾動的數(shù)學模型;最后,進行定常直航和回轉開環(huán)仿真實驗,驗證了船舶數(shù)學模型的正確性。2、研究了不受路徑形狀約束的USV路徑跟蹤控制算法。結合視線(Line-of-Sight,LOS)導引和SF(Serret-Frenet,SF)微分坐標框架建立了USV路徑跟蹤位置誤差數(shù)學模型,在此基礎上設計了SFLOS導引系統(tǒng)。該算法將路徑切向速度作為一個虛擬控制律,通過控制艏向和航速實現(xiàn)位置誤差收斂,簡化控制器設計,避免了復雜的模型轉換。針對未知擾動,設計了指數(shù)收斂擾動觀測器在線估計環(huán)境擾動,并在控制器中進行前饋補償,設計了路徑跟蹤反步控制器。仿真結果表明設計的路徑跟蹤控制算法能實現(xiàn)期望路徑的精確跟蹤,并且具有較強的魯棒性。3、針對橫向無驅動的USV在洋流作用下容易引起較大橫向跟蹤誤差的問題,設計了基于洋流補償?shù)姆e分導引路徑跟蹤控制算法。該算法針對存在洋流的USV相對速度數(shù)學模型,設計了自適應洋流擾動觀測器,通過在導引中引入一個艏向角積分補償項,減小洋流對USV航行造成的影響。針對常規(guī)反步法存在的“微分爆炸”問題,利用二階低通濾波器獲得期望艏向的一階和二階導數(shù),簡化控制器解析形式,便于工程實現(xiàn)。仿真結果表明基于積分導引的控制器能有效提高跟蹤精度,減小橫向位置跟蹤誤差。4、考慮系統(tǒng)模型參數(shù)不確定性和外界未知擾動,利用徑向基(Radial Basis Function,RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡的任意函數(shù)逼近特性,在積分導引算法基礎上設計了USV神經(jīng)網(wǎng)絡自適應路徑跟蹤控制器,實現(xiàn)了USV存在模型參數(shù)不確定以及外界環(huán)境擾動下的路徑跟蹤控制,并通過仿真實驗驗證了自適應算法的有效性。
【學位授予單位】：哈爾濱工程大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O231;U664.82
【圖文】：

斯巴達偵察兵（左）和水虎魚（右）

幽靈衛(wèi)士（左）和海狐（右）

【參考文獻】

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本文編號：2714500