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基于预测控制的双体无人艇运动控制方法研究
| 论文题名： | 基于预测控制的双体无人艇运动控制方法研究 |
| 关键词： | 无人艇;船舶运动控制;预测控制;容错控制;控制系统 |
| 摘要： | 随着现代科学技术的发展，自动驾驶逐渐成为当下的热点话题之一。无人机，无人车，无人艇等具有自主巡航能力的载具与人们生活的关系越来越紧密。作为一种新型无人载具，水面无人艇具有智能化水平高，机动能力强，可高度定制等特点，可以高效协助人类进行海洋资源的开发与应用。运动控制系统旨在控制无人艇运动状态，是无人艇实现自主化，智能化的基石。本文以具有双舵与双螺旋桨的双体无人艇（后文简称双体船）为研究对象，对其展开了正常航行状态下运动控制器的设计工作，并研发了执行机构典型故障下的容错运动控制器。具体内容包括： 针对双体船正常航行状态下的运动控制问题，本文设计了基于预测控制的航向航速运动控制器。具体而言，包括基于线性预测控制的航向航速运动控制器以及基于线性时变预测控制的航向运动控制器。本文基于船舶六自由度模型，推导出三自由度简化线性模型的数学形式，并采用最小二乘法对船舶三自由度线性模型进行参数辨识。借助预测控制相关理论方法，本文设计了基于线性预测控制的双体船航向与航速运动控制器，实现对双体船正常航行状态下的运动控制。为了更进一步提升航向控制的效果，注意到船舶航向模型随速度时变的特点，本文采用局部线性模型树模型，建立了船舶航向的关于前向速度的线性时变模型。借助线性时变预测控制框架，本文为双体船航向运动控制设计了线性时变预测控制器，以减小模型失配对航向控制的影响，提升双体船正常航行状态下航向控制器的控制效果。 针对双体船动力系统存在冗余执行机构的特点，本文讨论了几种典型的执行机构故障情况下双体船容错运动控制器的设计方法。具体而言，分别讨论了单舵故障、单舵单螺旋桨故障以及双舵故障情况下基于预测控制的航向航速控制器设计方法；针对仅有单边螺旋桨可用，其余机构均发生故障的极端情况，设计了基于PI控制的单螺旋桨螺旋前进控制策略。 从仿真以及物理实验的结果来看，本文设计的控制器均可达到预期控制效果。具体而言，正常航行情况下，本文设计的线性预测控制器可以有效实现对船舶的航向航速控制，航向线性时变预测控制器可进一步提升航向控制效果；在典型执行机构故障的情况下，本文设计的容错运动控制器可以充分利用剩余执行机构，控制双体船安全稳定航行。 |
| 作者： | 付振宇 |
| 专业： | 控制科学与工程 |
| 导师： | 赵金 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 华中科技大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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