无人艇区域保持控制方法研究

摘要

水面无人艇是一种能够在海洋环境下进行自主路径规划、自主航行，并可自主完成环境感知、目标探测等任务的小型水面平台。由于具有体积小、质量轻、运动灵活、自主性强等特点，无人艇在军事和民用方面得到了广泛的应用。近些年来，随着无人艇技术的迅速发展，对独立在海域执行任务的无人艇来说，除了具备基本的路径跟随和轨迹跟踪能力外，还需要无人艇能够在规定区域内进行作业，实现区域保持功能。由于无人艇的结构简单，无法采用锚泊定位进行区域保持。同时无人艇横向无侧推，无法提供横向推力，属于典型的欠驱动船舶。采用动力定位方法实现区域保持第一很难实现，第二精确的动力定位控制必然会导致执行器的磨损和能源巨大消耗。这对于携带能源有限的无人艇是不可取的。因此，对水面无人艇的区域保持控制方法进行研究具有重要意义。本文对无人艇区域保持的任务需求进行分析，分别从严格保证无人艇不超出区域边界和减少能耗、增加作业时长两个角度考虑，针对这两种控制目标提出两种无人艇区域保持控制方法，并进行仿真验证。本文的工作主要包含以下几方面内容:
　　1、根据模块化建模思想，建立无人艇的六自由度运动数学模型。针对本文研究内容作出适当假设，得到无人艇水平面三自由度运动数学模型。以Matlab为仿真平台，编写仿真程序对该模型进行直航运动和回转运动仿真验证。
　　2、为严格满足无人艇区域保持边界条件限制，提出一种基于障碍李雅普诺夫函数和滑模控制的无人艇区域保持控制方法。首先根据无人艇欠驱动特性设计无人艇轨迹跟踪滑模控制器，对该滑模控制器进行稳定性分析并进行仿真验证。为了实现无人艇区域保持，在轨迹跟踪滑模控制器的基础上结合障碍李雅普诺夫函数设计无人艇区域保持控制器，并对该控制器进行稳定性分析。分别在无干扰和有干扰的条件下进行无人艇区域保持的仿真，对所设计的区域保持控制器有效性进行验证。
　　3、为了在区域保持的过程中减小能耗、增加作业时长，提出一种基于能耗最小的无人艇区域保持控制方法。首先，以环境最优艏向理论为基础，针对无人艇的欠驱动特性，设计无人艇环境最优区域保持控制器并进行仿真验证。为进一步减小能耗、增加无人艇推进器工作时长，在无人艇环境最优区域保持控制器基础上提出一种间断控制区域保持策略。根据区域保持任务设计无人艇安全区域，在此区域内不施加控制。当无人艇超出安全区域后施加控制，使其运动至安全区域内。通过数学仿真验证环境最优区域保持控制间断控制器的有效性。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1选题的背景和意义

1．2无人艇技术国内外研究现状

1．2．1无人艇产品发展

1．2．2无人艇运动控制

1．3区域保持技术国内外研究现状

1．3．1船舶区域保持技术

1．3．2区域保持控制方法

1．4本文研究主要内容

第2章无人艇数学建模与仿真验证

2．1引言

2．2坐标系选取

2．2．1北东坐标系

2．2．2船体坐标系

2．3船舶六自由度运动数学模型

2．3．1运动学模型

2．3．2动力学模型

2．4水面无人艇三自由度运动数学模型

2．5无人艇模型仿真验证

2．5．1模型参数与仿真流程

2．5．2无人艇直航与回转验证

2．6本章小结

第3章基于BLF和SMC的无人艇区域保持控制

3．1 引言

3．2．1滑模控制基本原理和设计方法

3．2．2运动学回路控制器设计

3．2．3动力学回路控制器设计

3．2．4稳定性分析

3．2．5仿真验证

3．3基于BLF和SMC的无人艇区域保持控制器设计

3．3．1 BLF基本原理和设计方法

3．3．2区域保持控制器设计

3．3．3稳定性分析

3．3．4仿真验证

3．4本章小结

第4章基于能耗最小的无人艇区域保持控制

4．1引言

4．2环境最优控制基本原理和设计方法

4．3无人艇环境最优区域保持控制器设计

4．3．1环境最优艏向控制器设计

4．3．2环境最优艏向控制器仿真验证

4．3．3环境最优区域保持控制器设计

4．3．4环境最优区域保持控制器仿真验证

4．4无人艇环境最优区域保持间断控制器设计

4．4．1环境最优区域保持间断控制器设计

4．4．2环境最优区域保持间断控制器仿真验证

4．5本章小节

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢