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数据驱动的无人浮桥轨迹跟踪与迭代对接控制
| 论文题名： | 数据驱动的无人浮桥轨迹跟踪与迭代对接控制 |
| 关键词： | 无人栈桥平台;轨迹跟踪;模型预测控制;高斯过程回归;自主对接;数据驱动 |
| 摘要： | 近年来，随着环境监测、水上搜救和水文测量等领域的发展，兼具运输和监测功能的新型水面无人船开始受到越来越多的关注。例如，在许多沿海和沿河城市的交通运输中，无人船开始承担起更加重要的作用。但无人栈桥平台本身所存在的非线性、强耦合、易受干扰的特点，给轨迹跟踪和自主对接这些高精度控制带来了不小的挑战。目前看来，无人栈桥的研究重点在于以下两个方面：如何在复杂多变的水域环境下安全行驶，最终到达目标点以及如何有效地应对风浪干扰，可靠地完成自主对接任务。针对以上问题，本文提出了相应的控制方案并进行了实验验证。主要工作与成果如下： （1）针对复杂多变水域环境下无人栈桥安全行驶的问题，提出了一种将非线性模型预测控制与高斯过程回归方法相结合的控制方案，用于解决无人栈桥轨迹跟踪过程中由于模型失配和外界干扰等未建模因素造成的跟踪精度下降问题。这种基于数据驱动的补偿方法能够有效利用无人栈桥航行过程中产生的动态数据，通过高斯过程回归来拟合跟踪误差，构建出高斯增广模型并将其与名义模型相结合，得到的新型预测模型对系统未建模部分的偏差进行了补偿，从而提高控制性能。此控制器的有效性在仿真实验和实体实验中都得到了验证。实验结果表明，相对于传统模型预测控制，该方法在静水情况下的跟踪误差减小了24.9%，随着风浪干扰的加剧，效果会更加明显。 （2）针对风浪干扰情况下多无人栈桥平台的自主对接问题，提出了一种基于状态检测的迭代对接方案。该方案能够根据无人栈桥的位置计算出合适的对接点，并规划出一条从起点到目标对接点的参考路径。当无人栈桥没有到达预定参考点或者以错误的姿态到达参考位置时，无人栈桥平台上的摄像头无法检测到目标船体上的标签信息，对接控制器将会更新控制指令，控制无人栈桥返回初始对接位置，并进入下一次对接流程。实验结果表明，在风浪干扰条件下，经过若干次迭代对接，无人栈桥能够在规定时间内完成自主对接任务。 本文针对无人栈桥平台的轨迹跟踪和自主对接问题，深入研究了模型预测控制、高斯过程回归和迭代对接方法，提出了相应的控制方案，通过Matlab仿真平台和实体模型船实验验证了所提出方法的有效性，对无人栈桥控制系统的设计和开发有一定的指导意义。 |
| 作者： | 陈鑫源 |
| 专业： | 控制科学与工程 |
| 导师： | 吴乃龙 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 东华大学 |
| 学位年度： | 2023 |
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