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原文传递网络环境下无人水面艇航向控制策略研究

论文题名：	网络环境下无人水面艇航向控制策略研究
关键词：	无人水面艇;航向控制器;受力分析;运动数学模型
摘要：	随着国际海洋局势发展的需要，有关无人水面艇控制技术的研究正日渐受到世界各国的普遍重视。无人水面艇作为一种智能化的海上运动平台被广泛的应用在水道测量，海洋环境监测、海上搜救、科学探究和现代化的军事战争中。无人水面艇具有广泛的应用前景，己成为国内外智能化海洋装备的研究热点。在复杂多变的海洋环境中，无人水面艇的自主航行特别是航向保持和航向跟踪性能是其运动控制的基础问题。因此，设计一种能适应复杂海洋环境下的无人艇航向控制器，是无人艇运动控制研究的重要内容之一。　　众所周知，对无人水面艇的控制通常是基于陆基和母船的控制中心来实现的，采样信息如艏摇速率，航向角等将通过传感器-控制中心网络通道被传输至控制中心，而控制中心将构造并通过控制中心-执行器网络通道传输控制输入至舵机，并相应的实现航向控制，减小艏摇。控制中心与无人水面艇之间的通信是通过无线通信网络来实现的。使用通信网络替代传统控制系统中的点对点控制结构，实现陀螺仪、控制中心与舵机之间的互联，具有非常重要的应用价值。对于采用传统意义上的点对点控制结构的系统来说，网络环境下的无人艇控制系统具有结构灵活、成本低、维护与安装方便、小型无人等优点。但是，将网络引入无人艇控制系统中会不可避免地产生网络诱导时延、数据丢包、量化等现象。这可能会影响无人艇航向控制系统性能，甚至使系统失稳。因此，非常有必要研究网络诱导时延、数据丢包等对无人水面艇的航向控制的影响。　　本文针对网络环境下的无人艇航向控制系统，考虑引入网络后系统中存在的一些基本问题。建立新的受外部环境干扰的无人水面艇航向控制系统模型，考虑无人艇航向控制器设计问题，以实现网络控制下的无人艇能获得精确的航向，并能顺利完成海上作业。本文主要对网络环境下的无人艇的航向控制问题进行了研究，主要研究内容如下：　　1.对无人艇进行受力分析，建立受风、浪、流干扰的无人艇的运动数学模型，为便于控制器的设计，将其转换为状态空间形式。考虑无人艇航行的实际环境，对海浪干扰进行了建模。　　2.对网络环境下控制中心-执行器网络通道存在网络诱导时延、数据丢包的无人艇的航向控制问题进行了研究。首先，对受风、浪、流干扰的无人艇，考虑控制中心到执行器网络通道中存在网络诱导时延和数据丢包可能对系统造成影响，建立基于网络的航向控制模型。通过定义合适的Lyapunov泛函并运用LMI方法，导出能使网络环境下无人水面艇航向控制系统渐进稳定的控制律，并设计基于网络的航向控制器。通过仿真，验证了所提出方法和设计的控制器是有效的。　　3.针对传感器-控制中心和控制中心-执行器间同时存在网络诱导时延和数据丢包的无人水面艇航向控制系统，探讨了基于观测器的航向控制器设计问题。运用基于线性估计的时延补偿方法，并考虑时延与丢包的非均匀分布特性，建立考虑传感器-控制中心和控制中心-执行器两段网络通道同时存在网络诱导时延和数据丢包的无人艇航向控制系统模型。运用基于观测器的方法，设计网络环境下的无人艇航向控制器及观测器，同时给出了系统渐近均方稳定的充分条件。通过仿真验证了所提出方法和设计的控制器、观测器的有效性。
作者：	陈丽丽
专业：	控制理论与控制工程
导师：	王玉龙
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏科技大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文