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原文传递浅水域欠驱动无人艇的路径规划和轨迹跟踪控制研究

论文题名：	浅水域欠驱动无人艇的路径规划和轨迹跟踪控制研究
关键词：	路径规划;轨迹跟踪;无人水面艇;反步滑模控制;预设性能控制
摘要：	随着经济与控制技术的快速发展，军用领域和民用领域对无人艇的需求不断增大。因其尺寸小、灵活度高和功能多种多样等特点，适用于内河和近海场景执行危险、枯燥任务。本文以内河级欠驱动无人艇航行在具有不确定障碍物的浅水域进行多任务目标点巡航为研究核心，设计一种可在复杂环境下航行的全局+局部路径规划策略。同时，欠驱动无人艇是一个强耦合、多输入多输出非线性系统。相比于大型无人艇，小型无人艇更易受到外部环境的影响。轨迹跟踪作为其运动控制中的重要环节，由于水面扰动复杂多变，设计单一的控制策略很难满足强鲁棒性、高自适应性的要求，不能达到预期所设定的控制性能标准。因此，本文对欠驱动无人艇的全局+局部路径规划和轨迹跟踪控制策略进行研究。本文主要研究内容如下：　　（1）结合无人艇的运动特性，建立三自由度欠驱动无人艇的运动学模型和动力学模型，并对建立的数学模型与无人艇参数进行仿真验证。　　（2）根据浅水域的航行环境特点和无人艇多任务目标点巡航的任务要求，采用RRT*+DWA算法完成路径规划。全局路径规划基于已知障碍物地图进行规划，通过融合遗传算法寻优求解任务目标点的访问顺序（旅行商问题），最终得到全局路径。在全局路径航行时，当未知障碍物到达无人艇安全距离之内触发DWA算法做动态局部避障，局部避障完成后回到全局路径继续航行。路径规划算法可保障无人艇在复杂浅水域环境中，安全高效的完成工作。　　（3）为解决无人艇易受外部环境扰动影响的问题，设计了反步滑模控制策略。无人艇模型的参数不确定性会对无人艇控制产生影响，设计有限时间观测器对模型不确定性和环境干扰进行预估，同时采用观测器在线估计速度状态值，降低对速度传感器的依赖。在控制器设计环节引入LOS视线制导律，减小控制器输入的抖振，提高收敛速度和跟踪精度。采用一阶滤波器信号代替虚拟控制律，避免虚拟控制律求导产生微分爆炸。通过对观测器和控制器进行李雅普诺夫稳定性分析，以及控制算法的仿真实验，来验证该算法的可行性和实用性。　　（4）为进一步提高轨迹跟踪控制的动态性能和稳态性能，设计了预设性能控制策略。通过设计干扰观测器，不仅实现准确估计环境干扰，而且提供了船体的位置和速度估计值，减小了船体对高精度速度传感器和高精度惯性导航的依赖，降低了应用成本，提高了轨迹跟踪系统的控制精度。控制器设计阶段，引入性能函数，并进行误差转换，将反步法与李雅普诺夫稳定理论结合来设计控制器，使预设性能函数在动态性能和稳态性能上动能对无人艇的跟踪误差进行约束，以满足期望的性能标准。通过稳定性分析，并与反步滑模控制算法进行比较仿真验证，来说明该算法的可行性和优越性。
作者：	解锡洋
专业：	电气工程
导师：	王云亮;李增亮
授予学位：	硕士
授予学位单位：	天津理工大学
学位年度：	2023