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复杂扰动下水面高速无人艇的航行控制研究
| 论文题名： | 复杂扰动下水面高速无人艇的航行控制研究 |
| 关键词： | 水面高速无人艇;复杂扰动;航行控制;双曲正切函数;自适应补偿视线法 |
| 摘要： | 随着海洋经济的快速发展，水面无人艇作为水面智能装备不可或缺的一部分，肩负着时代赋予的重要使命，朝着更加智能化、自主化的方向发展。其中，水面高速无人艇作为一种高性能船舶，具有高航速、高机动性和隐身等优点，在民事应用和军事作战上愈发重要，其运动控制是可靠实现各种作为任务的技术保障，具有重要研究意义。本文针对水面高速无人艇在复杂海洋扰动下的高速航行特性，设计适用于高速平台的路径跟踪控制系统。主要研究内容如下: 首先，针对水面高速无人艇系统各自由度强非线性耦合的特性，基于分离化模型思想构建了六自由度运动模型，并对复杂海洋环境建立干扰模型。在艇体参数未知的情况下，根据船舶主尺度结合井上、贵岛模型等经验公式对艇体水动力系数进行估算，并结合本文研究内容对运动模型简化，建立了水面高速无人艇四自由度（纵荡、横荡、横摇、艏摇）运动模型，最后对其进行开环模型仿真验证模型的正确性。 其次，针对传统视线法缺乏自适应能力，在复杂扰动下抗干扰能力弱、性能不足的问题，引入双曲正切函数设计自适应补偿视线法，提高了参数的可调性，优化了误差收敛速度。针对水面高速无人艇在复杂扰动下的操纵性问题，设计了模糊神经网络自抗扰控制(FNN-ADRC)方法，通过仿真对比试验证明了所设计控制器相比于ADRC具有更快的收敛速度、更强的自适应能力和鲁棒性。 最后，针对复杂外界扰动下侧滑角未知的路径跟踪问题，设计ILOS制导策略，对时变未知的侧滑角进行估计补偿，并且提出了一种自适应前视距离和锐角跟踪改进方法，以消除扰动引起的稳态跟踪误差和航迹超调。为了提高无人艇在复杂扰动和高速航行的安全性和姿态保持能力，提出非奇异终端滑模自抗扰控制(NTSM-ADRC)方法，分别设计航速、航向和减摇控制器，利用自抗扰算法对未知干扰的估计性能有效避免了非奇异终端滑模需要模型参数的弊端，实现无模型滑模控制，通过仿真试验和海试试验验证了制导律和控制器符合实际航行要求，具有瞬态和稳态综合性能优势。 |
| 作者： | 陈健桦 |
| 专业： | 船舶与海洋工程 |
| 导师： | 张磊;任毅 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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