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智能船舶避碰策略和有限时间循迹控制方法研究
| 论文题名： | 智能船舶避碰策略和有限时间循迹控制方法研究 |
| 关键词： | 智能船舶;循迹控制;避碰策略;有限时间引导律;运动规划 |
| 摘要： | 随着人工智能技术的发展，智能船舶技术有望有效解决传统船舶在节能减排、人工成本、航行安全性等方面面临的问题，已经逐渐成为全球造船和航运业的研究热点。自主避碰和循迹控制是智能船舶实现海上安全航行的两大关键技术。本文以智能船舶为研究对象，对避碰策略以及循迹控制系统中的引导和运动控制子系统进行了研究。本文主要研究工作如下： （1）针对船舶在执行直线圆弧路径循迹任务时易受路径曲率、环境力等因素影响导致横向偏差增大的问题，提出了一种有限时间收敛的自适应引导律，其控制参数可随横向偏差的变化而进行自适应调整，使循迹过程中的横向偏差可以在有限时间内收敛至零附近。另外，针对参数化路径提出了一种基于漂角观测器的有限时间引导律，设计有限时间漂角观测器对时变大漂角进行估计，提升了复杂曲线路径的循迹控制效果。最后，通过仿真对比验证了所提出的有限时间引导律的有效性和优越性。 （2）针对船舶遭遇未知障碍物时避碰算法实时性较差、重规划的避碰路径不符合船舶运动特性的问题，提出了一种基于视线法引导原理的避碰策略，通过结合人工势场的原理，将视线法中的虚拟引导点视为人工势场中移动的引力点，障碍物视为斥力点，然后输出合力方向引导船舶实现避碰；此外，针对人工势场法存在的局部最小值、目标不可达和难以考虑《国际海上避碰规则》等问题，提出一种改进的人工势场法，改进后的斥力势场是关于我船和障碍物之间的相对位置、相对速度的函数；最后，通过仿真验证了所设计的避碰策略的有效性。 （3）针对船舶在执行循迹任务时存在时变环境干扰和模型不确定影响的问题，提出了一种基于反步滑模控制理论的有限时间循迹运动控制方法，将模型不确定性、时变环境干扰和虚拟控制量视为总扰动，设计干扰观测器对其进行估计并予以补偿，提高控制系统的鲁棒性；针对输入饱和问题，通过设计辅助动态系统和滤波补偿系统，实现对输入饱和值的有效补偿并显著提升控制效果；最后，证明了控制系统中所有控制信号的有限时间稳定性，并通过仿真对比验证了所提出方法的有效性和优越性。 |
| 作者： | 胡胜 |
| 专业： | 船舶与海洋工程 |
| 导师： | 冯辉 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 武汉理工大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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