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基于屏障函数与神经网络自适应滑模控制的船舶轨迹跟踪及编队研究
| 论文题名： | 基于屏障函数与神经网络自适应滑模控制的船舶轨迹跟踪及编队研究 |
| 关键词： | 自主水面船舶;轨迹跟踪;编队控制;屏障函数;自适应滑模控制;双环递归神经网络 |
| 摘要： | 伴随着航运应用的普及和发展，自主水面船舶（AutonomousSurfaceVessel，ASV）的轨迹跟踪和编队控制受到人们很大的关注。在一些勘探、货物运输和海底管道建设等环境中，ASV容易受到外部环境的干扰，如风、浪、流以及本身参数变化的影响，所以针对ASV的轨迹跟踪和编队控制问题的研究具有重要的理论意义和工程应用价值。 本文首先考虑了ASV存在未知外部扰动下的轨迹跟踪问题，提出了一种基于屏障函数自适应滑模控制方法，该方法利用滑模的收敛特性设计了一个切换自适应律，实现了对滑模增益的自适应调节，而且不需要外部干扰先验信息。滑模变量可以收敛并且保持在一个与干扰上界无关的零邻域内，屏障函数滑模自适应策略能保证滑模增益始终动态地大于外部干扰，从而确保自主水面船舶的轨迹跟踪性能。 其次，针对存在模型不确定性和外部未知扰动情况下的ASV的轨迹跟踪问题，提出基于双环递归神经网络逼近策略的屏障函数自适应滑模控制方法，该方法通过引入双环递归神经网络对模型中的不确定性和干扰进行逼近，神经网络的引入使得屏障函数滑模自适应策略只针对逼近误差做自适应控制，能够有效地减小自适应控制中的滑模增益，从而有效的削弱抖振现象。 最后，考虑存在模型未知和外部干扰情况下的跟随者和领航者的编队队形问题，将编队控制问题转化为船舶之间的位置和速度关系，利用领航者和跟随者位置误差和速度误差构造编队误差方程。采用神经网络在线估计外部扰动，通过以神经网络输出作为补偿项结合屏障函数自适应滑模策略及图论相关知识实现ASV的鲁棒编队控制，保证船舶之间的相对距离和相对航向角达到期望要求。利用李雅普诺夫函数证明闭环系统的稳定性，通过仿真验证所提出策略的有效性。 |
| 作者： | 赵向涛 |
| 专业： | 控制科学与工程 |
| 导师： | 阎妍 |
| 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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