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基于LOS的无人帆船路径跟踪动态面控制研究
| 论文题名： | 基于LOS的无人帆船路径跟踪动态面控制研究 |
| 关键词： | 无人帆船;路径跟踪;密集路径点;路径规划;自适应LOS |
| 摘要： | 近年来，环保问题逐渐被各个国家重视，无人帆船由于其依靠风力驱动，突破了携带能源上限对其航程和工作时间的限制，在海洋环境监测等领域显现出独特的优势。本文以四自由度无人帆船为研究对象，基于LOS导引律和递归滑模动态面技术，考虑模型部分未知、输入饱和、外界复杂环境扰动、速度调节、密集路径点跟踪等问题，采用径向基神经网络、辅助系统、扩张观测器、双虚拟小船法等方法对帆船路径跟踪控制问题进行研究。本文主要研究内容如下： （1）考虑无人帆船路径跟踪过程中存在航速波动、模型不确定性、输入受限等问题，设计了一种基于积分LOS的无人帆船路径跟踪控制方法。该方法中引入一种基于航速的积分LOS导引律，降低航速变化对路径跟踪精度的影响。同时考虑无人帆船航行过程中难以建立精确的数学模型，因此使用径向基神经网络在线逼近模型不确定项。针对虚拟控制量求导过程中产生的微分爆炸的问题，基于动态面技术设计递归滑模控制器。选择李雅普诺夫函数证明系统的稳定性，并进行仿真实验，实验结果表明本文中所设计的路径跟踪控制器可以有效准确的跟踪期望路径。 （2）实际海洋环境下，无人帆船不可避免的会遇到在逆风区域航行的状况，因此本文设计了一种基于自适应LOS带有迎风换舷策略的路径跟踪控制方法。该方法中设计了一种迎风换舷策略，保证无人帆船顺利通过逆风区。同时为了提高路径跟踪控制器的鲁棒性，在自适应LOS导引律中引入tanh函数。为了降低控制系统复杂度，将模型不确定项与外界扰动复合成广义扰动，并设计扩张观测器对其观测。采用递归滑模动态面技术设计控制器，并选择李雅普诺夫函数证明系统稳定性。最后进行逆风区域航行仿真实验，仿真结果表明本文所设计的控制器可以使无人帆船在逆风区域航行。 （3）考虑到无人帆船路径跟踪控制器在实际工程中需要与路径规划算法配合使用问题与无人帆船动力充足情况下速度保持问题，本文设计一种基于自适应LOS带有速度调节的无人帆船路径跟踪方法。该方法针对路径规划所得到的密集路径点，将自适应LOS与双虚拟小船法结合得到具备跟踪密集期望路径点能力的导引律。同时针对外界扰动和输入饱和问题，引入扩张观测器和辅助系统来解决。方法中将帆角和舵角作为系统输入，使用滑模技术设计具备速度调节能力的控制器。选择李雅普诺夫函数证明系统稳定性。以路径规划算法设计出的期望路径作为输入进行仿真实验，验证所设计的控制器的有效性。 |
| 作者： | 徐艺珍 |
| 专业： | 控制工程 |
| 导师： | 沈智鹏 |
| 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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