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基于扰动补偿的无人艇路径跟踪控制算法研究
| 论文题名： | 基于扰动补偿的无人艇路径跟踪控制算法研究 |
| 关键词： | 水面无人艇;运动控制;路径跟踪;扰动补偿;海洋观测 |
| 摘要： | 近年来，随着海洋科学技术的不断发展和进步，作为智能化海洋装备的重要组成部分之一，水面无人艇(Unmanned Surface Vehicle，USV)的研究受到越来越广泛的关注。海上环境复杂多变，保证USV在安全航行的前提下实现快速高精度的路径跟踪控制是完成USV战略战术目标的基础，这就使得跟踪路径成为了USV运动控制研究的重要内容之一。本文为实现USV高精度路径跟踪，在研究和参考大量国内外研究成果的基础上，针对存在未知环境扰动的USV路径跟踪控制问题，设计了基于扰动补偿的USV路径跟踪鲁棒控制器，提高USV跟踪性能，本文的研究内容如下: 1、建立了USV的三自由度船舶数学模型和扰动数学模型。首先，建立了分析船舶运动特性所需要的两种参考坐标系，北东坐标系和船体坐标系;其次，分析船舶运动学和动力学特性，建立了USV船舶数学模型;然后，分析风、浪和洋流环境扰动，建立了这三种扰动的数学模型;最后，进行定常直航和回转开环仿真实验，验证了船舶数学模型的正确性。 2、研究了不受路径形状约束的USV路径跟踪控制算法。结合视线(Line-of-Sight，LOS)导引和SF(Serret-Frenet，SF)微分坐标框架建立了USV路径跟踪位置误差数学模型，在此基础上设计了SFLOS导引系统。该算法将路径切向速度作为一个虚拟控制律，通过控制艏向和航速实现位置误差收敛，简化控制器设计，避免了复杂的模型转换。针对未知扰动，设计了指数收敛扰动观测器在线估计环境扰动，并在控制器中进行前馈补偿，设计了路径跟踪反步控制器。仿真结果表明设计的路径跟踪控制算法能实现期望路径的精确跟踪，并且具有较强的鲁棒性。 3、针对横向无驱动的USV在洋流作用下容易引起较大横向跟踪误差的问题，设计了基于洋流补偿的积分导引路径跟踪控制算法。该算法针对存在洋流的USV相对速度数学模型，设计了自适应洋流扰动观测器，通过在导引中引入一个艏向角积分补偿项，减小洋流对USV航行造成的影响。针对常规反步法存在的“微分爆炸”问题，利用二阶低通滤波器获得期望艏向的一阶和二阶导数，简化控制器解析形式，便于工程实现。仿真结果表明基于积分导引的控制器能有效提高跟踪精度，减小横向位置跟踪误差。 4、考虑系统模型参数不确定性和外界未知扰动，利用径向基(Radial Basis Function，RBF)神经网络的任意函数逼近特性，在积分导引算法基础上设计了USV神经网络自适应路径跟踪控制器，实现了USV存在模型参数不确定以及外界环境扰动下的路径跟踪控制，并通过仿真实验验证了自适应算法的有效性。 |
| 作者： | 周利 |
| 专业： | 控制科学与工程 |
| 导师： | 付明玉 |
| 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 |
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