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原文传递无人艇航向运动控制技术研究

论文题名：	无人艇航向运动控制技术研究
关键词：	水面无人艇;航向控制;自抗扰控制;鲁棒性
摘要：	无人艇，作为一种机动灵活的水面移动舰艇，行动隐蔽、不易遭敌攻击，在军事和科考中用途广泛。由于无人艇艇身小、吃水浅，当面对恶劣海况航行时，其数学模型参数的不确定性和非线性扰动就会增强，其运动控制的抗扰问题就显得尤为重要。为此，本文利用扩张状态观测器对总扰动（模型参数摄动的内扰+随机海浪的外扰）进行估计和补偿，同时考虑算法的控制系统工程可实现性，解决恶劣海情下无人艇的航向控制问题。　　首先，基于动量定理、动量矩定理建立了无人艇艏摇、横荡和纵荡三自由度平面运动数学模型以及响应数学模型，给出了简易舵机模型，建立了海风、海浪、海流环境干扰数学模型，为无人艇航向控制系统的设计及实验分析奠定了基础。　　其次，引入自抗扰控制思想，同时便于控制器参数整定和嵌入式实现，采用尺度化和参数化后的线性自抗扰控制，分析了其各组成部分原理及功能，给出了其稳定性分析。基于此，根据无人艇要实现的航向控制功能需求，设计了基于带宽整定的无人艇航向自抗扰控制器，同时也设计了无人艇航向PID控制器。搭建了无人艇航向抗扰控制数字仿真（艇体及外界海况风、浪、流等模块）+基于嵌入式ARM9（Linux环境下）的抗扰控制器物理样机，完成了无人艇航向抗扰控制系统的仿真实验。　　最后，在无外界环境干扰、系统模型参数大范围摄动和恶劣海况下，验证了所设计控制器的航向跟踪和保持的控制品质，给出了航向角、舵角的仿真曲线以及统计值。仿真实验结果表明:本文所设计的无人艇航向抗扰控制策略具有调试简单、直观，响应快、超调量小等优点，表现出良好的控制性能，比PID控制器具有更优的扰动抑制能力和鲁棒性。同时，本文所实现的基于嵌入式的无人艇航向自抗扰控制器物理样机实时性好，满足恶劣海况下无人艇航向控制精度的要求，具有一定的实用参考价值。
作者：	李奕
专业：	控制科学与工程
导师：	傅荟璇
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