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原文传递带有时变惯性阵无人艇的路径跟踪

论文题名：	带有时变惯性阵无人艇的路径跟踪
关键词：	无人艇;时变惯性阵;路径跟踪;导引算法;反步自适应;神经网络;海洋探测
摘要：	随着海上安全的重要性不断提高，海洋科技的不断进步，作为一种智能化海洋设备，无人艇的研究受到各界重视。海洋环境复杂，无人艇完成任务时，通常需对其行驶路径提前做好规划，使无人艇沿着规划路径进行运动。无人艇执行不同任务时，艇上搭载仪器设备各不相同，会对无人艇质量造成影响;无人艇高速运动时的附加质量即惯性水动力系数会发生变化;由于海况作用也会使无人艇的系统惯性矩阵产生不确定项。故本文在考虑到系统惯性矩阵不确定的情况下，同时克服海洋环境干扰的影响，设计了基于反步自适应的无人艇路径跟踪控制器和基于神经网络的无人艇路径跟踪控制器，提高系统跟踪性能。本文研究内容如下: 　　首先，分析了船舶运动模型主要采用的北东坐标系和船体坐标系，并对两种坐标系下的坐标转换进行了计算。在此基础上，通过分析船舶运动学和动力学特性，建立了无人艇运动数学模型;对环境扰动作用进行研究并建立相关数学模型;针对性的对无人艇高速运动时的惯性矩阵变化情况进行了分析之后，通过模型仿真实验，验证上述无人艇数学模型的正确性。　　其次，对于具有欠驱动特性的无人艇路径跟踪，为了解决视线法仅适用于直线路径跟踪的问题，使用Serret-Frenet(SF)坐标对其进行重新设计，并改进了视线法存在的弊端，根据微分同胚转换，将对北东坐标系下位置误差的镇定转换为SF坐标系下跟踪误差的镇定。通过导引控制器设计，将路径跟踪问题转变为艏向跟踪与速度控制，简化了相关控制模型。将反步法与自适应控制方法相结合，对惯性矩阵和定常干扰进行估计，设计了路径跟踪控制器，消除了环境扰动的影响，也解决了惯性矩阵不确定的问题。在积分导引算法中，对漂角进行了积分补偿，使无人艇路径跟踪应用中，未安装导航系统或导航系统失灵状态下也可以完成路径跟踪任务。经过仿真研究，该控制算法有效的实现了路径跟踪的目的。　　再次，考虑到模型参数变化情况，设计了基于上界估计的反步自适应法。对于带有标称值的时变惯性矩阵无人艇，首先对无人艇模型进行简化，通过对模型的处理，成功地将模型变化部分转化为对时变干扰的处理，从而简化控制器的设计。同时假设干扰上界，设计了反步自适应鲁棒控制器，从而使该改进反步自适应法可以处理时变干扰，实现了路径跟踪的精确性，缩短了响应时间。　　最后，考虑到模型参数标称值未知且参数变化的情况和无人艇高速运动状态时的水动力系数对系统的影响，设计了以高斯函数为中间层函数的RBF神经网络自适应控制器，神经网络具有的逼近不确定函数的特性，使得控制器可以很好地实现跟踪功能，设计了无人艇路径跟踪的神经网络稳定自适应控制器，最终仿真验证该控制器可以实现对任意曲线的路径跟踪。
作者：	朱丽红
专业：	控制工程
导师：	付明玉;侯山高
授予学位：	硕士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2018
正文语种：	中文