原文传递
水面无人艇状态约束轨迹跟踪控制方法研究
| 论文题名： | 水面无人艇状态约束轨迹跟踪控制方法研究 |
| 关键词： | 无人艇;轨迹跟踪;状态约束;障碍Lyapunov函数 |
| 摘要： | 水面无人艇(UnmannedSurfaceVessel，USV)作为一款用途广泛的无人载具，在海洋技术领域有着极高的研究价值。为了保证水面无人艇能够按预定计划航行并完成任务目标，需要实现其精确有效的轨迹跟踪控制。然而在针对水面无人艇的轨迹跟踪控制中，存在着动力学模型的不确定性、执行机构的输入饱和性、外界干扰等影响控制性能的因素。尤其是状态约束问题，当无人艇在控制中违反了约束限制，往往会造成设备损坏或控制失效等严重后果。因此有必要在无人艇的轨迹跟踪控制设计中考虑以上这些因素，保证控制策略的可行性和有效性。 本文基于障碍Lyapunov函数，深入研究了无人艇轨迹跟踪控制中的状态约束问题，同时考虑了不确定性问题以及输入饱和问题，并且通过数值仿真对所提出的算法进行了验证分析。本文的主要工作包括以下几个方面: 首先，针对USV设计了一种基于反步法的对数函数形式的障碍Lyapunov函数，从而实现轨迹跟踪控制中的状态约束，将跟踪误差限制在预设条件之内。同时，通过自适应方法估计USV的外部干扰和输入饱和项的上界，并由此设计相应的自适应律以及控制律。 其次，利用一种tan形式的障碍Lyapunov函数为USV设计了基于误差约束的轨迹跟踪控制器，将约束变量转化为范数形式从而保证跟踪误差被限制在约束界限之内。利用径向基函数神经网络可以极好地逼近任意的复杂非线性项，从而处理USV的模型不确定性问题。同时还使用双曲正切函数处理USV的输入饱和，将输入饱和问题转化为未知的输入增益问题。最终针对USV设计了一种有限时间的控制方案。接着，在误差约束控制方案的基础上，提出一种自适应容错轨迹跟踪控制器，它考虑了USV执行机构故障的问题，并利用自适应方法对故障不确定的上界进行估计。 最后，研究了USV轨迹跟踪控制中的延迟非对称约束问题，这种延迟约束会发生在系统运行一段后而非初始时刻。为此基于移位函数和误差变换系统，提出了一种有变化边界的非对称障碍Lyapunov函数，从而处理在完全未知的初始跟踪条件下的延迟非对称全状态约束。在使用神经网络解决系统不确定性问题的同时，采用抗饱和补偿器处理输入饱和的影响，直接补偿饱和差值。 本文以水面无人艇的状态约束为核心问题，基于障碍Lyapunov函数设计了多种轨迹跟踪控制方法，仿真数据证明了所设计的方法的有效性和优越性，可以作为将来进一步研究的参考。 |
| 作者： | 李骋鹏 |
| 专业： | 船舶与海洋结构物设计制造 |
| 导师： | 秦洪德 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2021 |
检索历史
应用推荐
