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基于MFAC控制算法的水面无人艇路径跟踪和轨迹跟踪控制研究
| 论文题名： | 基于MFAC控制算法的水面无人艇路径跟踪和轨迹跟踪控制研究 |
| 关键词： | 水面无人艇;路径跟踪;轨迹规划;无模型自适应控制算法 |
| 摘要： | 水面无人艇(UnmannedSurfaceVehicle，USV)是一种小型化和智能化的水上无人平台，是当前智能化海洋装备研究领域的重点。USV具有应用范围广泛的特点。民用领域，可用于水质环境检测、水下资源勘查和人员救助等方面。军事领域通过搭载不同的战斗模块，可以执行不同的作战任务。运动控制是USV的核心功能，是保证其航行在规定路径上执行上述任务的基础。当前大多数USV都没有配备专门用于横向运动控制的推进器，在机构学中被划分为欠驱动机构。USV的欠驱动特性以及其所处任务环境中存在风、浪、流等环境干扰，对USV运动控制器的设计提出了更高的要求。本文以小型欠驱动USV为研究对象，进行USV路径跟踪控制器与USV轨迹跟踪控制器的研究工作，研究内容主要如下: 通过引入两种参考坐标系，建立USV的六自由度运动学和动力学方程。针对USV运动控制需求，将六自由度模型化简为仅关注艏摇、纵荡及横荡运动的USV三自由度模型。考虑到执行任务时出现的环境干扰，针对定常无旋均匀流干扰进行建模。并进行了流干扰下USV直航和回转运动仿真试验，验证了所建立模型的准确性。为后续章节的USV运动控制器设计和运动仿真提供基础。 针对USV航向子系统不满足无模型自适应控制算法(ModelFreeAdaptiveControl，MFAC)的受控系统假设要求，设计了重定义输出的改进形式。针对USV转向机构的机械限制特性，设计了控制器输出限幅函数。在此基础上，采用基于变前视距离的视线(Line-Of-Sight，LOS)制导法对USV艏向进行规划，设计了基于改进算法的USV路径跟踪控制器。通过与模糊PID路径跟踪控制器进行环境扰动下的直线、圆形等多种路径进行跟踪对比，验证了所设计的基于改进MFAC算法的USV路径跟踪控制器的稳定性和有效性。 设计了基于紧格式MFAC算法的USV航速控制器，完成了USV轨迹跟踪控制器的设计工作。针对USV执行任务时速度信息获取困难及存在传感器噪声导致信息失真的情况，设计了一种基于扩张状态观测器的无模型自适应USV轨迹跟踪控制器。通过圆形参数轨迹、直线形参数轨迹、正弦曲线参数轨迹和直线及圆形轨迹组成的复合参数轨迹跟踪仿真实验，验证了所设计USV轨迹跟踪控制器及扩张状态观测器的有效性。 |
| 作者： | 宋子成 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 薛开 |
| 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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