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复杂海况下水面无人艇的路径跟踪控制研究
| 论文题名： | 复杂海况下水面无人艇的路径跟踪控制研究 |
| 关键词： | 无人艇;路径跟踪;自适应控制;视线法 |
| 摘要： | 近年来，随着科技的不断发展，无人艇（UnmannedSurfaceVehicle，USV）逐渐进入人们的视野。相比传统的水面船只，无人艇具有灵活性强、造价低、操作简单等优点，因此在军用和民用领域都具有广泛的应用前景，并发挥着重要的作用。无人艇在复杂海况下航行时，会受到来自风、浪、流的干扰，进而影响无人艇运动的精确性。路径跟踪是无人艇运动控制的主要功能，更是实现能自主航行以及各项任务的关键技术之一。在此背景下，本文对复杂海况下无人艇的路径跟踪控制问题展开研究。 本文首先介绍目前国内外无人艇的发展现状，对常用的路径跟踪控制算法进行了调研和总结。介绍了无人艇模型的基础理论知识，以及简化无人艇建模的假设条件。建立了无人艇的三自由度数学模型，引入两种坐标系描述无人艇的运动状态。推导和建立了无人艇的运动学模型、动力学模型分析无人艇所受力得到空间运动方程。 针对无人艇在复杂海况下航向控制困难问题的方法，介绍了三种无模型自适应控制方法，最后采用了紧格式动态线性化-无模型自适应控制（CompactFormDynamicLinearization-ModelFreeAdaptiveControl，CFDL-MFAC）来控制无人艇航向。通过与比例积分微分（PID）控制器进行仿真实验对比，验证了CFDL-MFAC方法的鲁棒性。 采用视线法（Line-Of-Sight，LOS）制导算法来计算期望航向，提出了一种改进的自适应视线法（AdaptiveLOS，ALOS），分析了影响前视距离取值的因素—横向误差和USV的自身速度，设定了前视距离的取值范围。该算法在路径跟踪的过程中考虑这两个因素实时计算合适的前视距离，使USV在偏离路径时能够快速平稳地进行校正，同时提高了对曲线路径的跟踪性能，增加了算法的通用性和灵活性。此外，还利用降阶状态观测器在线估计侧滑角并进行补偿。在MATLAB平台上进行了算法改进前后的对比实验，验证了ALOS的可行性和有效性。 |
| 作者： | 王贺 |
| 专业： | 电子信息 |
| 导师： | 郑轶 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 齐鲁工业大学 |
| 学位年度： | 2023 |
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