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基于双偶极向量场的无人船安全目标跟踪制导与控制
| 论文题名： | 基于双偶极向量场的无人船安全目标跟踪制导与控制 |
| 关键词： | 无人船;双偶极向量场;目标跟踪;安全避碰;超螺旋控制 |
| 摘要： | 海洋具有丰富的生物资源和矿产资源，是各国开发研究的重点，是人类生存和可持续发展的战略空间和资源要地。伴随着新时期信息技术和智能控制理论的快速发展，世界各国开始推进无人航行器的研究，用于争夺海洋权益开发海洋资源。无人船是一种新型海洋探索工具，可以代替人力在恶劣的海洋环境下执行费力且危险的任务，在军事和民事领域有着广泛的应用前景。运动控制技术是衡量无人船智能化水平的重要标志。本文以欠驱动无人船为研究对象，研究了无人船目标跟踪运动控制问题。论文的主要研究内容如下： 第一，为改进欠驱动无人船目标跟踪的暂态控制性能，提出了一种基于双偶极向量场的目标跟踪制导方法。基于双偶极向量场原理，设计了欠驱动无人船艏摇角速度制导律和前向速度制导律，稳定性分析证明了控制系统是有界稳定的，且位置收敛到目标点附近的邻域内。所提方法可以使无人船的跟踪轨迹更为光滑，暂态控制性能更好。仿真和实验验证了所提基于双偶极向量场的目标跟踪制导方法的有效性。 第二，在上述制导方法的基础上，考虑了海洋环境中的多种障碍物，进一步研究了无人船目标跟踪过程中的安全避碰问题。首先，基于双偶极向量场原理，给出了吸引场、排斥场、直线场，根据向量场合成公式，得到混合向量场。基于混合向量场，设计了欠驱动无人船前向速度和角速度制导律。所提方法不仅可以使无人船跟踪目标点，而且在实现目标跟踪的同时，规避静态与动态障碍物。仿真和实验验证了所提基于双偶极向量场的安全目标跟踪制导方法的有效性。 第三，在双偶极制导方法的基础上，研究了存在模型不确定性和未知海洋扰动的欠驱动无人船前向速度和艏摇角速度的控制问题。针对模型不确定性和未知海洋扰动设计了基于超螺旋观测器的超螺旋滑模控制方法，并采用输入状态稳定性定理和级联系统稳定性定理分析了运动学系统和动力学系统级联的稳定性。最后通过仿真和实验验证了前向速度和艏摇角速度控制器的有效性。 |
| 作者： | 初庆栋 |
| 专业： | 电力系统及其自动化 |
| 导师： | 王丹;刘陆 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连海事大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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