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原文传递自主式无人水面航行器制导与控制算法研究

论文题名：	自主式无人水面航行器制导与控制算法研究
关键词：	无人水面航行器;全局路径规划;路径跟踪;控制算法;制导算法
摘要：	无人水面航行器（Unmanned Surface Vehicle，USV）具备隐蔽性好、体积小、生存能力强等优势，在海洋资源勘探和维护海域安全等方面具有广阔的应用前景。但目前USV多为半自主型，需进一步提高自主性能，实现完全自主应用，而制导与控制是其中的关键技术。因此，针对制导与控制技术在USV自主航行系统中的具体应用，本文展开对全局路径规划、路径跟踪控制和避障轨迹规划算法的研究工作。主要研究内容如下：　　建立水平面三自由度USV运动模型及海流扰动下的摄动运动模型，为后续章节自主式USV制导与控制算法的具体研究奠定基础和提供理论支撑。　　针对USV的路径规划问题，提出了基于粒子群优化算法（Particle Swarm Optimization，PSO）和费马螺旋曲线（Fermat’s Spiral，FS）的全局路径规划算法。首先，从 USV的航行特点出发，采用 PSO全局路径规划算法，搜索航路点序列并将其顺序连接，以获得可行、最短且绝对安全的折线路径。然后，利用FS曲率可从零变化且连续的特点，设计FS光顺折线路径策略，使得所规划路径的方位和曲率均为连续函数，进而可应用于精确的路径跟踪等运动控制中。其次，考虑到USV的机动性能限制，在FS过渡曲线设计中加入最小回转半径约束，最后通过仿真实验对其所设计算法有效性进行验证。　　针对海流扰动下的欠驱动 USV路径跟踪问题，提出基于级联方法的视线（Line Of Sight，LOS）制导自适应滑模控制律。首先，通过对非对称运动模型进行坐标变换，获得典型的欠驱动系统模型，便于控制器设计和稳定性分析。其次，考虑到系统的全局稳定问题，重定义漂角和在非奇异Frenet-Serret（SF）坐标下描述路径跟踪误差动态模型，并整理成级联系统形式。然后，针对系统的欠驱动性，将路径参数更新律作为附加控制输入，并基于改进的时变距离LOS制导律设计位置跟踪控制律；针对海流扰动，采用自适应滑模技术分别设计航向和纵荡速度跟踪控制律；依据级联系统理论，分析并获得路径跟踪控制系统的一致半全局指数和一致全局渐进稳定性。最后，通过仿真实验验证了所设计算法的有效性。　　针对USV的避障轨迹规划问题，提出基于自适应ph-Radau伪谱法的USV多阶段避障轨迹规划算法。首先，考虑避障的协调性和有效性，遵循国际海上避碰规则公约（International Regulations for Preventing Collisions At Sea， COLREGs）设定避让航路点和禁航区。其次，建立含有禁航区、机动性能和状态方程等约束的连续时间避障最优轨迹规划模型，并给出多区间Radau伪谱法离散化求解策略。进一步给出自适应ph-Radau伪谱法离散化求解策略，以综合考虑解的求解精度和速度。然后，考虑避让航路点约束，引入内点概念，将避让航路点转化为内点约束，进而将避障轨迹规划转化为多阶段轨迹规划问题并利用自适应ph-Radau伪谱法离散化策略求解，最后通过仿真实验，验证并分析了所设计算法的有效性及求解速度、精度。
作者：	蒲红红
专业：	控制工程
导师：	黄海滨
授予学位：	硕士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文