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原文传递海洋无人航行器预设性能运动控制技术研究

论文题名：	海洋无人航行器预设性能运动控制技术研究
关键词：	海洋无人航行器;预设性能;动力定位;跟踪控制
摘要：	21 世纪以来，随着社会经济的发展与工业化、城市化进程的加快，人类生存发展所需的陆地资源日益紧缺，世界各国纷纷将眼光转向海洋这座“蓝色宝库”。为实现深远海资源开发，我国已布局围绕海洋工程领域突破一批关键核心技术，其中，可胜任复杂海况下探索开发任务的智能无人海洋运载平台——海洋无人航行器备受关注。而智能运动控制技术作为海洋无人航行器核心技术之一，与其作业精度和航行安全息息相关，具有十分重要的科学意义和战略价值。　　为此，本文在充分调研了国内外关于海洋无人航行器运动控制方面研究成果基础之上，以考虑瞬态性能约束的海洋无人航行器运动控制作为本文研究目标，结合预设性能与预设时间控制理论，由浅入深，从动力定位到跟踪控制、从全驱动到欠驱动，对海洋无人航行器运动控制技术进行了系统性地探索与研究，并通过仿真研究、硬件在环测试、水池试验和湖上试验等手段对算法性能进行了检验。本文的主要研究工作如下：　　（1）考虑输入饱和约束的全驱动海洋无人航行器预设性能动力定位控制：本文中首先从运动控制技术中最经典的点镇定问题——动力定位出发，提出了一种新型预设性能函数将具有受限误差约束的动力定位问题转化为对转换系统的镇定问题，并建立起预设性能反步设计框架。在此基础上，结合指令滤波、辅助动力系统、神经网络与鲁棒控制技术进行控制器设计，解决了模型不确定性、输入饱和和外界时变扰动等多非线性耦合因素作用下的预设性能控制问题。然后，为减少控制过程中执行机构的作业频率，引入相对阈机制对控制输入进行了虚拟重构，并利用神经网络观测器和动态面方法得到了预设性能事件触发动力定位控制器。最后，通过仿真研究和舰船电力推进系统硬件在环测试对算法的有效性和物理可行性进行了验证。　　（2）考虑瞬态性能约束的全驱动海洋无人航行器预设时间跟踪控制：针对应用更为广泛的海洋无人航行器跟踪控制问题，首先构造了一种非线性预设时间扰动观测器，使得对缓慢时变扰动的观测误差在预设时间内收敛于零。在此基础上沿用前述预设性能反步设计框架得到了具有全局预设时间收敛性的鲁棒跟踪控制器。随后，为增强算法的鲁棒性和落地性，进一步构造了基于预估器的预设时间扰动观测器，用以应对更为恶劣的海况。同时，设计线性抗饱和补偿器避免了输入饱和“截断”现象对闭环系统稳定性的潜在不利影响。最后，基于障碍李雅普诺夫函数设计了更符合航海实践需求的鲁棒实际预设时间跟踪控制器，解决了外界扰动、输入饱和、瞬态约束等耦合因素影响下的海洋无人航行器预设时间控制问题。　　（3）固定前向速度下欠驱动位形海洋无人航行器预设性能路径跟踪控制：针对更具挑战性的欠驱动海洋无人航行器路径跟踪控制问题，首先，针对海洋无人航行器常见固定航速任务模式在运动学层面设计了简捷实用的反正弦和反正切预设性能视线角制导律，后者破除了预设性能控制中对初始状态的约束。得益于制导律的简单结构，还将其进一步拓展到深度面应用中。随后，在动力学层面设计了预设时间控制器，用以驱动海洋无人航行器达成跟踪控制目标。最后，开展了仿真研究、水池试验以及湖上试验对算法的性能进行了充分地验证。　　（4）考虑瞬态性能约束的欠驱动海洋无人航行器非奇异预设性能轨迹跟踪控制：针对前向速度时变的轨迹跟踪问题，在运动学制导阶段，引入耦合前向和横向误差的视线角制导律，辅以障碍李雅普诺夫技术，设计得到期望预设性能前向速度与艏摇角速度，实现对位置误差与航向误差的状态约束，进而避免了航向误差过大时所诱发的奇异现象。随后，在动力学层面结合鲁棒自适应与实际预设时间控制技术完成动力学跟踪控制器设计，实现了带有预设性能约束的非奇异预设时间轨迹跟踪控制。
作者：	李锦江
专业：	轮机工程
导师：	向先波
授予学位：	硕士
授予学位单位：	华中科技大学
学位年度：	2022