详情

原文传递基于视线制导与自适应滑模控制的无人船路径跟踪研究

论文题名：	基于视线制导与自适应滑模控制的无人船路径跟踪研究
关键词：	无人船;路径跟踪;视线制导;自适应滑模控制
摘要：	无人船（Unmanned Surface Vehicle, USV）凭借其准确、快速、平稳地跟踪期望路径的特性广泛应用于各类水域作业任务，但随着作业环境和任务的复杂多变，促使探索无人船路径跟踪方法成为热点。本文为在探究存在未知时变风浪流环境扰动和模型不确定项影响的欠驱动水面无人船路径跟踪问题，具体研究内容如下：　　（1）针对未知时变海流影响下的无人船任意参数化路径跟踪问题，提出复合视线制导律，解决未知海流扰动下的海流和侧滑角补偿问题。即考虑海流对制导的影响，基于Serret-Frenet坐标系建立引入海流速度分量的路径跟踪误差动态方程，设计降维扩张状态观测器实现时变海流和时变侧滑角的同时估计，并提出虚拟控制输入补偿海流扰动，同时设计时变前视距离提高系统动态收敛性能。基于李雅普诺夫稳定性定理和反步法设计纵荡速度和航向控制器，用于验证复合视线制导效果，并证明闭环系统所有误差都是有界的。仿真结果显示本文提出的复合视线制导在CyberShipⅡ无人船和试验船数模上均具有较好的制导效果，可有效地估计和补偿时变海流和侧滑角，保障无人船快速稳定地收敛到期望路径。　　（2）针对存在风浪流因素干扰和内部模型不确定项的无人船任意参数化路径跟踪问题，在复合视线制导律的基础上，提出自适应滑模控制器逼近扰动和不确定项，促使滑动模态平稳切换。即分别基于自适应方法和最小参数学习法对风浪等扰动上界和模型不确定项进行逼近，并设计自适应增益以减少滑模抖振，提高系统鲁棒性。针对航向控制器中期望航向制导律高阶求导计算复杂的问题，设计三阶微分跟踪器进行制导律微分项的求解。随后证明本文所提出的复合视线制导和自适应滑模控制器的级联稳定性。仿真再次通过CyberShipⅡ无人船模型和试验船模型验证复合视线制导的适用性，并证明自适应滑模控制器性能要优于等速趋近滑模控制器，且对风浪等扰动上界和模型不确定项的逼近是有效的，可以提高无人船的路径跟踪控制精度。　　（3）为验证试验船模型的正确性，通过搭建和调试试验船，进行推力测试和直航加速测试，建立试验船纵向推进力及与其对应的试验稳态纵荡速度数据表，对比分析相同纵向推力下直航仿真所得到的模拟稳态纵荡速度，验证试验船模型的正确性。　　综上所述，本文针对受未知时变风浪流扰动影响且存在模型不确定项的欠驱动水面无人船路径跟踪问题，提出复合视线制导律估计和补偿时变侧滑角和时变海流扰动，设计逼近风浪等扰动上界和模型不确定项的自适应滑模控制器，经仿真对比分析，本文提出的制导和控制方法是有效可行的，可以提高欠驱动无人船路径跟踪的准确性、快速性和平稳性。
作者：	陈欣然
专业：	机械工程
导师：	陈延礼
授予学位：	硕士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2023