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双桨无人艇自主航行控制系统研究
| 论文题名： | 双桨无人艇自主航行控制系统研究 |
| 关键词： | 无人艇;自主航行;航向控制;全局路径规划 |
| 摘要： | 无人艇作为一种新型水上智能平台，在海洋经济和军事领域上发挥着重要作用。无人艇的自主航行控制系统是目前无人艇研究的热点，其主要功能包括航向控制、航迹控制、路径规划等。随着无人艇应用领域的拓展，多样化的作业环境对无人艇自主航行的性能提出了更高要求，而工况变化、非线性、航向收敛速度慢、航行安全性等是目前自主航行中亟待解决的问题。针对以上问题，本文设计了涵盖航向控制算法、航迹控制算法和全局路径规划算法的解决方案，并通过湖面试验验证航向控制器的有效性、规划路径的安全性。论文主要研究内容如下： （1）针对无人艇实物研究平台较少的问题，提供低成本的无人艇软硬件平台设计方案，为控制系统提供运行平台。硬件平台包括主控板电路设计，传感器和通信设备等；软件平台包括实时任务框架设计、硬件设备驱动、协议解析及通信优化等。 （2）针对工况适应性差、非线性、航向收敛速度慢等问题，提出一种双模态的航向控制器，基于多模型控制方法，对不同工况下的航向控制器进行独立设计。将航向运动划分为转向、保持两种模态。转向模态下，基于非线性模型设计滑模控制器，通过切换函数的选取改进，调节系统状态轨迹，实现航向快速响应；保持模态下，采用PID控制方式完成航向的微调保持，引入线性干扰观测器并通过限制工作点保证稳态控制效果。此外，通过模糊加权切换的方法模糊化切换点，提高模态切换点选取的容错性，并借助切换机制避免滑模子控制器在保持模态下的抖振。 （3）针对无人艇的自主航行安全问题，首先基于LOS视线法，在航向控制器的基础上实现直线航迹跟踪的间接控制，为规划路径的跟踪奠定基础，然后针对传统A*算法规划路径拐点多、贴近障碍物的问题，提出改进的A*算法，规划适合航行的安全路径。将路径点划分为改向点和直航点，引入改向代价，减少航迹切换次数，提高路径经济性；结合LOS航迹跟踪过程直航点跟踪误差小、改向点跟踪误差大的特点，对直航点和改向点引入差异化的安全约束，提高路径点的可搜索范围，确保安全性的同时提高无人艇对复杂环境的适应性。 |
| 作者： | 王洽蓬 |
| 专业： | 控制科学与工程 |
| 导师： | 鲁仁全 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 广东工业大学 |
| 学位年度： | 2023 |
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