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欠驱动船舶航迹规划与跟踪控制算法研究
| 论文题名： | 欠驱动船舶航迹规划与跟踪控制算法研究 |
| 关键词： | 路径跟踪控制;航迹规划;航向控制;欠驱动船舶 |
| 摘要： | 随着智能化水平的不断提高，水域船舶正朝着便捷化的方面发展，针对智能化船舶自主跟踪控制技术的研究受到了业界的广泛关注。现阶段对于航迹规划的研究普遍存在忽略控制单元特性的问题，使得航迹规划与跟踪控制之间联系较为孤立、离散，这既不利于验证航迹规划相关研究成果是否具备可移植性，又为各领域优秀算法及模型的融合带来了不便。因此，分析智能化进程中融合船舶航迹规划与跟踪控制算法的实际需求，结合船舶模型，对航迹规划与跟踪控制算法进行研究，具有重要的研究价值与现实意义。本文的主要研究工作如下： （1）欠驱动船舶航向控制算法研究。针对传统船舶航向控制方法大都采用Fossen模型将船舶推进力与转向力矩作为控制量，与目前常用欠驱动船舶实际操纵系统存在一定差距的问题，本文研究基于Nomoto模型的船舶舵角与转向角之间的数学关系，结合现有船模参数搭建操纵性模型，以操纵性模型为受控对象设计基于非线性迭代滑模面函数与正切函数趋近率的船舶航向控制器，验证非线性迭代滑模面函数及正切函数趋近率在本文所搭建船舶操纵性模型中应用的可行性与优越性，为后续路径跟踪控制器的设计提供理论基础。 （2）欠驱动船舶路径跟踪控制算法研究。针对以航向导引-跟踪为核心的船舶间接路径跟踪控制器已不能很好满足跟踪的需求，本文基于非线性迭代滑模面函数及正切函数趋近率进一步设计船舶直接路径跟踪控制器，引入RBF神经网络以适应不同工况，实现对趋近率参数的自适应调节以解决控制舵角存在的抖振问题；汲取LOS导引思想，优化滑模面函数，改善控制系统的响应速度。 （3）欠驱动船舶航迹规划算法研究。针对航迹规划的研究普遍存在忽略控制单元特性的问题，本文对比传统规划及避碰算法，采用基于蚁群优化算法的全局路径规划算法规划参考航线，再根据船舶运动特性定义了模糊状态集构建方法，设计基于模糊Q-learning的局部风险避碰算法，二者结合作为完整的航迹规划算法，进而结合船舶操纵性模型、航向控制器与路径跟踪控制器，设计面向航迹规划的欠驱动船舶自主跟踪控制器，在水域模型中进行仿真，综合验证本文航迹规划算法的工程应用可移植性与自主跟踪控制器的控制性能。 |
| 作者： | 刘今栋 |
| 专业： | 信息与通信工程 |
| 导师： | 杨杰 |
| 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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