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原文传递基于自抗扰技术的无人艇与无人机协同运动控制

论文题名：	基于自抗扰技术的无人艇与无人机协同运动控制
关键词：	无人艇;自抗扰控制;航向角控制;路径跟踪;协同控制
摘要：	近年来，随着国内外局势持续升温，海防体系设备需求与日俱增，国家海洋局也多次提到了要完善对海洋的观测以及海陆空一体化系统的建设，而水面无人艇（UnmannedSurfaceVehicle，USV）作为智能海洋系统的主要运输工具，能够承担海面上的大部分海洋研究与工程任务，因此提高USV的自主航行能力至关重要。本文针对USV自主运动控制与海陆空一体化建设的要求，展开对USV路径跟踪、大角度航向角快速机动和USV与无人驾驶飞机协同控制的研究。主要研究内容如下：　　首先搭建USV的水平面三自由度运动模型以及考虑风浪流干扰后的三自由度干扰运动模型，为下文的理论研究以及仿真实验奠定基础。　　针对USV与无人驾驶飞机（UnmannedAerialVehicle,UAV）协同控制中的路径跟踪问题，设计了基于自抗扰控制（ActiveDisturbanceRejectionControl，ADRC）技术和模糊自适应调节的USV路径跟踪控制算法。首先，根据ADRC控制器与模糊控制器的组成及算法原理，设计模糊自抗扰控制器，核心是设计模糊控制规则；其次，根据Lyapunov第二判别法验证模糊自抗扰算法的稳定性；然后，考虑USV自身特性，尤其是舵角范围和打舵速度的影响，采用两个饱和非线性模块对舵机模型进行限制。最后的仿真实验分情况考虑了直线路径和正弦曲线路径，然后通过仿真平台验证了所设计算法的有效性。　　针对快速变换的大角度航向角控制，主要解决USV与UAV协同控制时USV机动性差，无法实现与UAV的同步转向等问题，提出了基于ADRC技术的新型滑模控制律，并结合上文设计了具有模糊自适应调参功能的滑模自抗扰控制器。首先，针对滑模控制器引入的抖振现象，设计分段线性幂指数趋近律，优化滑模控制器的开关特性。然后，针对ADRC控制器引入的舵角变换剧烈等问题，使用滑模微分器替代ADRC中的最速跟踪微分器，从而减少舵机磨损，延缓舵机使用寿命；其次，考虑到滑模自抗扰控制器中可调参数整定困难的问题，结合上一章介绍的模糊自适应调节功能，对滑模自抗扰控制器中的增益参数进行实时自适应调节。最后，通过仿真实验验证了所设计的控制器拥有良好的鲁棒性和适应性。　　针对USV与UAV协同控制问题，提出了基于模糊滑模自抗扰算法的USV与UAV协同控制算法。首先，建立四旋翼无人机的数学模型，并基于ADRC和PID技术设计控制器。然后，考虑到两智能体位置上的协同，提出了基于滑模自抗扰算法的USV与UAV协同控制器，通过Lyapunov稳定性判据验证了所设计控制器的稳定性，并将UAV的位置坐标当作USV的控制输入，实现USV对UAV的轨迹跟踪。其次，考虑两智能体的速度跟踪匹配，根据USV与UAV的实时坐标误差，设计模糊控制规则，实时优化USV的航行速度，实现两智能体的速度协调。最后，使用直线轨迹和正弦轨迹分别验证了所设计算法可以实现稳定的跟踪协同。
作者：	董惠玲
专业：	控制科学与工程
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：	2021