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欠驱动无人船轨迹跟踪控制方法研究
| 论文题名： | 欠驱动无人船轨迹跟踪控制方法研究 |
| 关键词： | 欠驱动无人船;轨迹跟踪控制;终端滑模控制器;非线性扰动观测器 |
| 摘要： | 近年来随着无人驾驶技术的飞速发展，欠驱动无人船的研究在军用和民用领域得到了广泛地关注。通过搭载不同的装置，欠驱动无人船可以完成警戒巡逻、海洋环境检测、资源勘查、水上搜索等具有操作危险的任务。无人船的轨迹跟踪控制是完成各种操作任务的核心，跟踪误差的范围决定了操作任务的精确度和出现事故概率的大小。因此，设计出具有更高性能的轨迹跟踪控制器对欠驱动无人船的研究具有重要意义。 本文开展了欠驱动无人船轨迹跟踪控制方法研究，依据六自由度船舶模型和环境风、浪、流模型，给出了简化的三自由度欠驱动无人船运动学、动力学数学模型。以三自由度欠驱动无人船为控制对象，结合滑模控制理论和观测器设计了轨迹跟踪控制方案。 针对航行过程中遭遇的未知风、浪、流干扰问题，设计了非线性扰动观测器来观测未知的环境扰动，用扰动的观测值对扰动进行补偿。针对传统滑模控制中设计的控制律渐近收敛的问题，对纵向推力和转艏力矩分别设计了非奇异终端滑模控制律。非奇异终端滑模中的非线性因子使系统状态快速的趋于滑模面，提高收敛速度，使欠驱动无人船在有限时间内完成轨迹跟踪任务。通过理论分析和MATLAB数值仿真验证了设计的非线性扰动观测器结合非奇异终端滑模控制方案，在外界环境扰动干扰下可以实现欠驱动无人船轨迹跟踪控制。 针对测量设备故障导致欠驱动无人船的位置和速度信息不可用问题，以及外界扰动和模型参数摄动问题，为了能够在处理扰动的同时得到位置和速度信息，设计非线性扩张状态观测器。利用欠驱动无人船的误差模型，设计了非奇异快速终端滑面推导出控制律。通过MATLAB数值仿真验证了，非线性扩张状态观测器结合非奇异快速终端滑模控制方案能够实现欠驱动无人船轨迹跟踪控制。所设计的控制方案具有抑制扰动，跟踪误差小，系统的抖振小，鲁棒性强的优点。 |
| 作者： | 刘子朋 |
| 专业： | 控制科学与工程 |
| 导师： | 徐东昊 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨理工大学 |
| 学位年度： | 2023 |
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