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基于S面的欠驱动船舶轨迹跟踪控制研究
| 论文题名： | 基于S面的欠驱动船舶轨迹跟踪控制研究 |
| 关键词： | 欠驱动水面船舶;自主导航;轨迹跟踪控制;扩张状态观测器;强化学习 |
| 摘要： | 解决欠驱动三自由度水面船舶的运动控制问题，不仅有利于节约能源，还可以为全驱动船舶运动控制提供备用方案；欠驱动三自由度水面船舶在运动中主要产生纵荡、横荡、艏摇等三个自由度的运动，而大多数的欠驱动三自由度水面船舶只有纵荡推力和艏摇力矩的控制输入，要解决其运动控制问题存在较大的难度。因此，开展欠驱动三自由度水面船舶运动控制研究，具有非常重要的理论意义和实际应用价值。本文主要针对实际环境中存在复杂时变的强环境扰动力的问题，开展欠驱动三自由度水面船舶轨迹跟踪控制的研究，具体研究内容包括以下几个方面： 首先，建立水面船舶惯性坐标系、附体坐标系和三自由度水面船舶运动Fossen模型，并介绍本文中船舶艏向力矩与船舶纵向推力的控制策略。 其次，考虑到船舶模型参数摄动和环境扰动力的影响，设计ESO（Extended State Observer，扩张状态观测器）实时估计由模型参数摄动造成的系统内部扰动力与未知时变环境扰动力的总和，基于此，将S面控制与ESO有效结合设计出SESO控制律，将ESO的估计值引入到S面控制律中对系统内、外扰动力总和进行前馈补偿，实现欠驱动三自由度水面船舶轨迹跟踪控制。通过仿真实验验证了所设计的SESO控制律的有效性和优越性。 然后，通过对上一步中的仿真对比实验进行总结与分析，确定S面控制拥有抑制控制输出超调的作用，但在加快动态响应方面并不出色，因此SESO控制在加快动态响应速度方面尚有改进的空间。基于此，本文借鉴PID控制试凑调参法的思路，将单独的比例控制环节P引入SESO并有效结合，设计出SPESO控制律，运用于欠驱动三自由度水面船舶轨迹跟踪控制。通过仿真实验验证了所设计的SPESO控制律的控制性能优于SESO。 最后，针对一成不变的控制律参数难以精确应对复杂时变扰动力的问题，基于强化学习Q-learning算法，对所设计的SPESO控制律进行离线训练，使其学习自主优化参数的能力，得到可自主优化参数的QSPESO控制律，运用于欠驱动三自由度水面船舶轨迹跟踪控制。通过仿真实验验证了所设计的QSPESO控制律很好地解决了根据实际情况自主优化参数的问题，且控制性能优于SPESO。 |
| 作者： | 杨秋实 |
| 专业： | 控制工程 |
| 导师： | 徐慧朴 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连海事大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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