發(fā)布時間：2020-11-05 13:18

　　 隨著各國對于無人船及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展愈加重視,本文圍繞無人船的路徑跟蹤問題展開深入而具體的研究。所研究的無人船路徑跟蹤問題不受時間維度的限制,但是研究對象為具有欠驅(qū)動性的無人船,為解決欠驅(qū)動性給無人船路徑跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計帶來的約束,引入視線法(LOS)制導(dǎo)律進(jìn)行路徑導(dǎo)引,并針對無人船的具體情況對制導(dǎo)律進(jìn)行改進(jìn)。同時在反步法、滑模控制理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法的基礎(chǔ)上設(shè)計跟蹤精度良好且性能穩(wěn)定、魯棒性強(qiáng)的路徑跟蹤控制律,以針對性的解決欠驅(qū)動無人船路徑跟蹤研究中存在的模型不確定、輸入飽和、外界環(huán)境擾動、海流干擾等影響路徑跟蹤控制精度的問題。本文主要的研究內(nèi)容和成果如下:(1)首先考慮常值海流擾動對于無人船路徑跟蹤問題的影響,針對該影響提出改進(jìn)的LOS制導(dǎo)律(ILOS),該制導(dǎo)律可以減少常值海流擾動給路徑跟蹤精度帶來的負(fù)面影響,能夠使得無人船位置誤差收斂至零。同時考慮無人船模型參數(shù)不確定問題,引入非奇異終端滑模控制理論設(shè)計路徑跟蹤控制律,實(shí)現(xiàn)了對模型參數(shù)不確定問題的有效解決,且避免了對虛擬控制律進(jìn)行高階求導(dǎo)的麻煩。隨后,采用李雅普諾夫穩(wěn)定性理論證明了無人船路徑跟蹤控制機(jī)制中誤差的收斂性。并基于MATLAB仿真平臺對兩艘不同的無人船進(jìn)行仿真,驗(yàn)證了所設(shè)計的制導(dǎo)律比傳統(tǒng)的制導(dǎo)律有更好的跟蹤精度,且消除了常值海流的負(fù)面影響;而所設(shè)計的控制律比傳統(tǒng)的反步法能更快的跟蹤上期望路徑,且系統(tǒng)狀態(tài)量的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能更好。(2)考慮了時變未知海流影響下的無人船路徑跟蹤問題,由于將海流擾動考慮為時變未知的,傳統(tǒng)的LOS制導(dǎo)律和ILOS制導(dǎo)律已然不能使得無人船精確的跟蹤上所給的期望路徑,所以提出了具有積分項(xiàng)得制導(dǎo)律(IAILOS),該制導(dǎo)律能夠?qū)r變未知海流擾動進(jìn)行實(shí)時估計并通過所設(shè)計的積分項(xiàng)對海流擾動產(chǎn)生的負(fù)面影響進(jìn)行補(bǔ)償。隨后考慮無人船受執(zhí)行器(舵、槳)影響而產(chǎn)生的輸入飽和限制以及時變外界擾動力的多重影響,結(jié)合反步法、自適應(yīng)方法和滑�？刂品椒ㄔO(shè)計反步自適應(yīng)滑模路徑跟蹤控制律。同時設(shè)計補(bǔ)償系統(tǒng)解決輸入飽和問題。設(shè)計自適應(yīng)律估計未知外界擾動力的大小。采用濾波器解決反步法中對虛擬控制律求高階導(dǎo)數(shù)而引起的微分爆炸問題,簡化控制器的設(shè)計過程。隨后證明了所提出的路徑跟蹤控制機(jī)制的穩(wěn)定性。最后進(jìn)行的MATLAB仿真驗(yàn)證了所設(shè)計的IAILOS制導(dǎo)律在未知時變海流下的路徑制導(dǎo)中的明顯優(yōu)勢和反步滑模路徑跟蹤控制律對比其他的路徑跟蹤控制方法的優(yōu)點(diǎn);該方法實(shí)現(xiàn)了對期望路徑與期望速度的有效跟蹤,同時滿足了系統(tǒng)最大控制輸入幅值限制。(3)在考慮時變海流擾動和輸入飽和問題的基礎(chǔ)上,針對無人船存在模型參數(shù)未知帶來的系統(tǒng)動態(tài)未知的問題;采用最小學(xué)習(xí)參數(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有效地獲取未知動態(tài)信息,該方法具有不依賴任何的模型參數(shù)信息且只需要訓(xùn)練兩個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值參數(shù)的優(yōu)勢。隨后提出了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一階滑模控制方法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PI滑�？刂品椒�,再結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和滑模設(shè)計輸入飽和補(bǔ)償機(jī)制。證明了所設(shè)計的兩種無人船路徑跟蹤控制機(jī)制的穩(wěn)定性。通過仿真分析了所提出的兩種無人船路徑跟蹤機(jī)制的有效性和優(yōu)劣性,證明了最小學(xué)習(xí)參數(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠有效的估計無人船未知動態(tài)。兩種控制器均實(shí)現(xiàn)了對期望路徑和期望速度的有效跟蹤且滿足了系統(tǒng)輸入飽和的限制,但在路徑跟蹤速度上PI滑模更具有優(yōu)勢。
【學(xué)位單位】：大連海事大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：U664.82;TP273
【部分圖文】：

?大連海事大學(xué)專業(yè)學(xué)位碩士學(xué)位論文???在第二次世界大戰(zhàn)期間，美軍就將軍事武器架設(shè)在無人水面艇上，后期無人艇又在美軍??的反水雷艦艇系統(tǒng)上進(jìn)行了應(yīng)用，而且還可以對戰(zhàn)場情況進(jìn)行有效偵探［１７］。??２００２年，美國海軍水下作戰(zhàn)中心聯(lián)合公司開發(fā)了一款可進(jìn)行重新配置的多功能、高??速半自動水面無人快艇一一“斯巴達(dá)偵探兵（圖１．１），這艘無人艇具有模塊化、可??重構(gòu)、多任務(wù)、高速、半自主航行的特色［１８】，該艇可在戰(zhàn)場上執(zhí)行海洋環(huán)境偵查監(jiān)測、??海洋目標(biāo)精確打擊、反潛等不同的軍事使命［５】，以提高美軍的海上防御能力［１７］。??圖ｉ．ｉ斯巴達(dá)偵探兵??Ｆｉｇ．?１．１?Ｓｐａｒｔａｎ?Ｓｃｏｕｔ?Ｕｓｖ??美國海軍還建造了一艘命名為“貓頭鷹”的無人艇，該艇體型輕巧且耐力出眾，可以??承擔(dān)雷區(qū)偵察、淺海監(jiān)視、海上攔截和保護(hù)港口碼頭周邊安全等任務(wù)；該艇在距離控制??站１０海里范圍以內(nèi)能夠?qū)⑻綔y到的信息通過無線電設(shè)備實(shí)時傳回控制站，ＮａｖｔｅｃＩｎｃ公??司后續(xù)在此基礎(chǔ)上又研制出“貓頭鷹ＭＫＩＩ”號無人艇［火這兩艘無人艇的實(shí)物圖如圖１．２。??圖１．２海上貓頭鷹號、海上貓頭鷹二號??Ｆｉｇ．?１．２?Ｏｗｌ?ｄｒｏｎｅ、Ｏｗｌ?ｄｒｏｎｅｌｌ??－３－??

?無人船路徑跟蹤滑�？刂蒲芯�???ｙｉＪＬｉｙＬｉ＾ｕｙ＾??咖?＿＂．，？??圖１．３幽靈衛(wèi)士??Ｆｉｇ．?１．３?Ｇｈｏｓｔ?Ｇｕａｒｄ??美國機(jī)器人船舶公司也進(jìn)行了相關(guān)領(lǐng)域的研究制造，該公司研發(fā)了一款名為“幽靈??衛(wèi)士”（圖１．３）的無人艇，這款無人艇兼具海洋環(huán)境監(jiān)測、海洋警戒防護(hù)等任務(wù)［１９］。??與此同時，美國海軍機(jī)器人艦船國際公司（Ｎａｖａｌ?Ｒｏｂｏｔ?Ｖｅｈｉｃｌｅ?Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ??ＣｏｒｐｏｒａｔｋＨｉ）與ＡＡＩ公司等軍工企業(yè)聯(lián)合研發(fā)一款名為“攔截者”的無人艇，該艇配置了??多種傳感器以便于對無人艇航行環(huán)境和其他船只進(jìn)行檢測，“攔截者”號采用了模塊化設(shè)??計，能夠根據(jù)所執(zhí)行任務(wù)的不同將功能同的模塊進(jìn)行組合［１９＃］。??位于美國加利福尼亞州的ＵＯＶ公司研發(fā)了一款具有側(cè)掃聲吶和攝像功能的無人艇??——Ｏｗｌ?ＭＫＩＩ?（圖１．４），該艇為噴水推進(jìn)器，以太陽能、風(fēng)能、回收動力能作為能源，??應(yīng)用于海上數(shù)據(jù)收集、測量等方面，其優(yōu)點(diǎn)是良好的隱蔽性和配重能力［岡。??ｗＯｗｌ?ＭＫ?丨＿＂號?＂Ｐｒｏｔｅｃｔｏｒ＂號??圖丨．４?Ｏｗｌ?ＭＫＩＩ?號?圖?１．５?Ｐｒｏｔｅｃｔｏｒ?號??Ｆｉｇ．?１．４?Ｏｗｌ?ＭＫＩＩ?Ｆｉｇ．?１．５?Ｐｒｏｔｅｃｔｏｒ??以色列拉法爾公司和以色列航空防務(wù)系統(tǒng)公司于２００３年聯(lián)合研發(fā)了?Ｐｒｏｔｅｃｔｏｒ號??（圖１．５）無人船，該船能夠執(zhí)行諸多的軍事任務(wù)，例如：火力掩護(hù)、反恐作戰(zhàn)、偵察情??報、反潛、電子戰(zhàn)等［８，２｜？］。??繼“Ｐｒｏｔｅｃｔｏｒ”后，以色列的埃爾比特系統(tǒng)公司還研制出了具備多種功能的第二代無??－４?－??

?大連海事大學(xué)專業(yè)學(xué)位碩士學(xué)位論文?．??年在央視春晚上由無人船、無人機(jī)、無人車給觀眾們帶來了震撼的展演，多艘無人船以??“瞭望者”號無人艇為首在珠江的海面上整齊的駛過，讓觀眾看到了國內(nèi)無人船技術(shù)的快??速發(fā)展［１８］。無人船集智能化、集成化、無人化于一體。目前國內(nèi)主要將無人船應(yīng)用于水??下地形勘測、海洋環(huán)境監(jiān)測、災(zāi)害應(yīng)急服務(wù)等方面。主要的研究成果集中在國內(nèi)企業(yè)、??科研院所和高等學(xué)校，主要包括：沈陽自動化所、中國航天科工集團(tuán)沈陽新光公司、珠??海云洲智能有限公司、大連海事大學(xué)、華中科技大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)、上海大學(xué)、上??海海事大學(xué)等。??在２００６年，新光公司提出了?ＸＧ－２概念性無人船，該船通過衛(wèi)星通訊獲取和傳遞信??息，借助于此，該船能夠執(zhí)行救援、沿海巡邏等任務(wù)［１］。兩年后，該公司又研制出名為“天??象一號”的無人船（圖１．１２），這是中國第一艘可用于工程實(shí)踐的海上無人探測船，該船??在２００８年在北京奧運(yùn)會期間提供水上應(yīng)急氣象保障，其具有人工駕駛和自動駕駛兩種??模式［５—６］。??圖１．１２天象一號??Ｆｉｇ．?１．１２?Ｔｉａｎ?Ｘｉａｎｇ??上海海事大學(xué)的無人艇研宄院研制了“精海”系列無人船（圖１．１３）和“Ｓｉｌｖｅｒｆｉｏｇ”號??雙體無人船（圖１．１４），精海１號曾完成過對南海諸島礁以及南極海域的測量和檢測任??務(wù)［２９］，而ＳｉＷｅｒＦｒｏｇ號能夠承擔(dān)海事搜救、水文測量、海洋環(huán)境監(jiān)視等任務(wù)，該團(tuán)隊(duì)更??多的提供水面無人平臺［６］，針對無人船的不同需求性能提供不同的解決策略。??－７－??
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2871687