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欠驱动无人水面艇轨迹跟踪控制研究
| 论文题名： | 欠驱动无人水面艇轨迹跟踪控制研究 |
| 关键词： | 欠驱动无人水面艇;轨迹跟踪;自适应滑模扰动观测器;固定时间扩张状态观测器 |
| 摘要： | 近年来，随着人工智能、控制理论和计算机技术的高速发展，无人水面艇作为具有高度自主性的海上智能装备平台，在海洋探索、环境监测、国防安全等多个领域都发挥重要的作用，其核心的自主控制技术也在不断演进。轨迹跟踪控制作为无人水面艇运动控制的一个重要组成部分，是自主能力和智能化水平的重要体现。欠驱动无人水面艇的航行环境复杂，并且具有明显的非线性，因此设计一类收敛速度快、鲁棒性强的轨迹跟踪控制器对于无人水面艇自主航行具有重要意义。 首先，为了解决具有未知外界时变扰动的欠驱动无人水面艇的轨迹跟踪控制问题，通过采用制导律，设计了一种基于非线性扰动观测器的自适应快速非奇异终端滑模轨迹跟踪控制律。考虑到外界扰动对无人水面艇航行的影响，设计了非线性扰动观测器进行估计并在控制律中进行补偿，此外，非线性扰动观测器可以有效地降低滑模控制器的震颤问题。设计自适应律补偿观测器误差，从而保证了系统稳定性。然后引入有限时间微分器获得期望信号的导数，简化了控制律的设计。仿真实验的结果表明了所设计的控制器具有更快的收敛速度。 其次，为了处理具有未知外界时变扰动和执行器故障的欠驱动无人水面艇的轨迹跟踪控制问题，通过结合有限时间收敛的制导律、自适应滑模扰动观测器和有限时间微分器设计了连续非奇异终端滑模轨迹跟踪控制律。所设计的自适应滑模扰动观测器可以在有限时间内估计出包含外界扰动和执行器故障的集总扰动，然后在控制律中进行补偿。另外，为了避免震颤现象，设计了连续非奇异终端滑模控制律。同样，引入有限时间微分器获得期望信号的导数，简化了控制律的设计。仿真结果验证了所设计的控制方法具有强鲁棒性。 最后，为了解决具有外界时变扰动、执行器故障、速度和模型参数未知的欠驱动无人水面艇的轨迹跟踪控制问题，通过设计固定时间收敛的制导律，设计了基于固定时间扩张状态观测器的固定时间控制律。通过固定时间扩张状态观测器估计速度以及集总扰动，然后在控制律中对集总扰动进行补偿。另外，采用饱和函数来克服控制律的奇异值问题，从而使轨迹跟踪的误差信号在固定时间内收敛到零。同时引入固定时间微分器简化了控制律。仿真结果表明所设计的控制方法的有效性。 |
| 作者： | 杨宇 |
| 专业： | 控制科学与工程 |
| 导师： | 范云生 |
| 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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