【摘要】：近年來,隨著海洋科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)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(guān)注。海上環(huán)境復(fù)雜多變,保證USV在安全航行的前提下實(shí)現(xiàn)快速高精度的路徑跟蹤控制是完成USV戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)的基礎(chǔ),這就使得跟蹤路徑成為了USV運(yùn)動控制研究的重要內(nèi)容之一。本文為實(shí)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(chǔ)上,針對存在未知環(huán)境擾動的USV路徑跟蹤控制問題,設(shè)計了基于擾動補(bǔ)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(xué)模型和擾動數(shù)學(xué)模型。首先,建立了分析船舶運(yùn)動特性所需要的兩種參考坐標(biāo)系,北東坐標(biāo)系和船體坐標(biāo)系;其次,分析船舶運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特性,建立了USV船舶數(shù)學(xué)模型;然后,分析風(fēng)、浪和洋流環(huán)境擾動,建立了這三種擾動的數(shù)學(xué)模型;最后,進(jìn)行定常直航和回轉(zhuǎn)開環(huán)仿真實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了船舶數(shù)學(xué)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(jié)合視線(Line-of-Sight,LOS)導(dǎo)引和SF(Serret-Frenet,SF)微分坐標(biāo)框架建立了USV路徑跟蹤位置誤差數(shù)學(xué)模型,在此基礎(chǔ)上設(shè)計了SFLOS導(dǎo)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(shí)現(xiàn)位置誤差收斂,簡化控制器設(shè)計,避免了復(fù)雜的模型轉(zhuǎn)換。針對未知擾動,設(shè)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(jìn)行前饋補(bǔ)償,設(shè)計了路徑跟蹤反步控制器。仿真結(jié)果表明設(shè)計的路徑跟蹤控制算法能實(shí)現(xiàn)期望路徑的精確跟蹤,并且具有較強(qiáng)的魯棒性。3、針對橫向無驅(qū)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(shè)計了基于洋流補(bǔ)償?shù)姆e分導(dǎo)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(xué)模型,設(shè)計了自適應(yīng)洋流擾動觀測器,通過在導(dǎo)引中引入一個艏向角積分補(bǔ)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(dǎo)數(shù),簡化控制器解析形式,便于工程實(shí)現(xiàn)。仿真結(jié)果表明基于積分導(dǎo)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(luò)的任意函數(shù)逼近特性,在積分導(dǎo)引算法基礎(chǔ)上設(shè)計了USV神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)路徑跟蹤控制器,實(shí)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了自適應(yīng)算法的有效性。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O231;U664.82
【圖文】：

斯巴達(dá)偵察兵（左）和水虎魚（右）

幽靈衛(wèi)士（左）和海狐（右）

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2714500