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基于LOS的无人艇路径跟踪自适应控制
| 论文题名： | 基于LOS的无人艇路径跟踪自适应控制 |
| 关键词： | 无人艇;路径跟踪;视线制导律;自适应控制;扩张状态观测器 |
| 摘要： | 随着国家层面对海洋资源的重视程度不断加深，相关行业在智能无人艇控制发展上也有了更高的要求。无人艇有着体积小、响应速度快、经济高效等优点。作为无人艇运动控制的重要一环，路径跟踪控制在水文监测、反潜猎雷、异构编队和水面搜救等方面都有着重要意义。但同时，由于无人艇存在诸如模型参数的不确定性、执行机构易推力受限等不可避免的问题，这给无人艇在复杂海洋扰动下的路径跟踪控制提出了更艰巨的挑战。本文结合上述情况进行了以下的研究： 首先，针对存在时变扰动、未知侧滑角和部分模型参数不确定的无人艇路径跟踪控制问题，基于自适应扩张状态观测器（ExtendedStateObserver，ESO）设计视线（Line-of-sight，LOS）制导律，并结合非奇异终端滑模设计了鲁棒自适应路径跟踪控制律。制导子系统中，设计自适应ESO在一定范围内估计并补偿未知侧滑角的影响。动力学控制子系统中，设计有限时间集总扰动观测器估计模型不确定项和时变扰动构成的集总项，应用辅助动态系统解决推进器推力受限的问题，进而设计非奇异终端滑模航速和航向控制器。仿真对比实验验证了所提出的控制策略有更好的路径跟踪效果。 其次，针对存在部分状态量不可测的无人艇路径跟踪控制问题，设计基于改进的AELOS（AdaptiveESO-basedLine-of-sight）和快速非奇异终端滑模的自适应路径跟踪控制律。制导子系统中，优化了AELOS对侧滑角的应用范围，同时使用模糊策略更新前视距离，优化对期望路径的跟踪效果。动力学控制子系统中，设计有限时间ESO在估计集总扰动的同时估计艏摇角速度等难以测量的状态量，引入辅助动态系统补偿饱和量，应用自适项提升观测器初始阶段存在的估计误差的收敛速度，并减少抖震。仿真对比实验验证了所设计的快速非奇异终端滑模控制策略的有更好的路径跟踪效果。 最后，针对部分模型参数不确定、转艏角速度等状态量未知、推力受限和环境干扰复杂强烈等问题，约束位置误差，设计基于预设性能LOS、固定时间ESO、有限时间饱补偿系统和积分滑模的路径跟踪控制策略。基于自适应ESO的预设性能制导律能保证位置误差在约束范围内。动力学控制子系统中，设计固定时间ESO和有限时间饱和补偿系统，提升了估计扰动和未知状态量时的收敛速度和在推力受限时执行机构对饱和量的补偿速度。仿真实验验证了预设性能控制策略的有效性。 |
| 作者： | 刘博文 |
| 专业： | 控制科学与工程 |
| 导师： | 王国峰 |
| 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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