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水面无人艇对水下目标动态跟踪控制研究
| 论文题名： | 水面无人艇对水下目标动态跟踪控制研究 |
| 关键词： | 水面无人艇;水下目标跟踪;SDDRE;LGR伪谱法;弱联通;控制系统 |
| 摘要： | 无人水面艇（UnmannedSurfaceVehicle，USV）在海洋科学等领域具有非常广泛的应用前景。人类期望实时监测水下目标的运动状态和作业完成情况等信息，关键技术之一是USV对水下目标的跟踪控制研究。因此，针对水下目标跟踪定位等具体应用场景，本文展开对跟踪控制器设计、跟踪问题求解算法和弱联通条件下跟踪算法的研究工作。主要研究内容如下： 考虑外界环境干扰，建立含有海风干扰的水平面三自由度USV摄动运动模型，为USV对水下目标动态跟踪控制算法的研究提供理论基础。 针对USV对水下目标的跟踪控制问题，采用一种状态相关微分Riccati方程（State-dependentRiccatiEquation，SDDRE）的技术解决该问题。首先，将非线性系统转换为状态相关类线性形式，以有效解决控制器设计复杂性问题；其次，考虑误差的线性模型，基于SDDRE方法求解最优控制输入作用于控制系统，以镇定系统获得更快的收敛速度；然后，建立新的状态相关系数（State-dependentCoefficient，SDC）矩阵反映各个状态变量之间的关系，以改善控制器性能和控制效果；最后，通过理论分析和仿真实验验证控制器的有效性。 针对SDDRE求解复杂性问题，提出一种基于Legendre-Gauss-Radau（LGR）伪谱法的求解算法。首先，建立含有多重约束条件的连续时间最优跟踪控制问题的数学模型，以有效解决求解复杂性问题；然后，考虑跟踪过程中SDDRE问题求解精度和速度，提出一种基于LGR伪谱法的求解算法，推导出最优控制输入的半解析式，以实现对SDDRE跟踪问题的实时计算；最后，仿真验证该算法对于求解SDDRE问题的有效性和高效性。 针对弱联通条件下USV对水下目标的跟踪问题，提出一种基于目标历史轨迹等信息对目标位置动态预测的方法。首先，描述弱联通条件下跟踪问题的数学模型，选取跟踪控制目标并建立系统误差方程；其次，针对水声通信中断期间水下目标位置未知等问题，利用历史轨迹等进行目标轨迹预测算法设计，动态预测下一时刻目标的运动位置，达到继续跟踪的目的；然后，针对实际轨迹与预测轨迹不同问题，对轨迹预测算法进行进一步优化，以持续跟踪目标；最后，仿真验证弱联通条件下跟踪算法的实时性、合理性。 |
| 作者： | 吕同名 |
| 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： | 2020 |
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