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原文传递全驱动船舶的轨迹跟踪控制研究

论文题名：	全驱动船舶的轨迹跟踪控制研究
关键词：	船舶轨迹跟踪;干扰观测器;反步法;神经网络;直接参数化方法
摘要：	全驱动配置的船舶因其操控性好，安全性高等特点常被应用于重要的海洋工程任务，例如海洋油气勘探，海上货物运载，海下管道建设等，这些海洋作业的特点均要求船舶按照预先设定的航线准确移动以确保作业能够安全完成。由于船舶具有高度非线性、强耦合性以及不可避免的遭受到外部未知海洋环境扰动，致使船舶的高精度轨迹跟踪控制设计面临严峻的挑战。因此，研究全驱动船舶的轨迹跟踪控制问题具有重要学术意义和工程应用价值。本文主要研究内容如下：　　根据船舶自身的运动特性推导出全驱动船舶运动数学模型。首先，建立了用以描述船舶位置、姿态等状态信息的北东坐标系和船体坐标系。然后，从运动学特性和动力学特性的分析角度出发，分别利用坐标转换和牛顿欧拉方程建立了六自由度全驱动船舶的运动学模型和动力学模型。最后，针对本文主要研究的轨迹跟踪控制任务简化船舶运动数学模型，并对海洋环境扰动进行分析，建立了考虑外部未知环境时变扰动和模型参数不确定性的三自由度全驱动船舶运动数学模型，并分别给出了不同坐标系下的表述方式。　　针对存在外部未知环境时变扰动和模型参数不确定性的全驱动船舶轨迹跟踪控制问题。首先，给出三自由度全驱动船舶轨迹跟踪控制模型的二阶误差动态方程。然后，设计非线性干扰观测器对外部扰动和模型参数不确定性构成的未知复合扰动进行估计并将其补偿。最后，建立系统的状态方程，采用反递推的思想结合李雅普诺夫函数设计轨迹跟踪控制器，用以提升控制系统的跟踪性能。　　针对非线性干扰观测器对高频时变扰动估计欠佳的情况，进一步对具有模型参数不确定性的全驱动船舶轨迹跟踪控制问题展开研究。首先，利用神经网络的逼近能力设计干扰观测器估计高频扰动。然后，将估计值反馈给参数化控制器，以补偿控制器的形式对系统的非线性扰动项进行补偿。最后，为了提高系统的性能指标，并抑制高度非线性和强耦合性对轨迹跟踪控制产生的影响，采用直接参数化方法设计控制器，灵活的将轨迹跟踪问题转化为误差系统镇定问题。　　为验证本文所设计控制器的有效性，基于一艘工程供应船分别对不同的轨迹进行仿真验证。结果表明，所设计的观测器可以对外部未知环境时变扰动和模型参数不确定性进行较好的估计，控制器的输出合理有效，能够实现控制目标。
作者：	康宁
专业：	电子信息
导师：	黄玲
授予学位：	硕士
授予学位单位：	哈尔滨理工大学
学位年度：	2023