欠驱动无人艇自主靠泊方法研究

摘要

无人艇为强非线性的欠驱动系统，靠泊时面临的环境较为复杂，使得无人艇自主靠泊成为最困难、最复杂的难题之一；舵和桨一般是针对定常艏向和航速设计，但实际无人艇靠泊时航速需要逐渐收敛艏向需要不断变化，而且还要受到低速导致的舵效差、岸壁效应带来的大扰动等影响，使操纵更加复杂。据统计，70%的船舶靠泊事故与驾驶人员在港内的不良船艺有关，因此，研究欠驱动无人艇自主靠泊技术具有重要的实际意义。 本文针对无人艇靠泊的轨迹规划问题，探讨基于靠泊约束分析的改进人工势场法，对自主靠泊轨迹规划技术进行研究；面向靠泊的轨迹跟踪问题，提出改进模糊PID控制方法，对码头末端大扰动下的轨迹跟踪问题进行研究；基于“海豚-Ⅰ”号小型无人艇完成了外场靠泊试验，对该方法在无人艇自主靠泊应用中进行深入分析。 首先，建立了无人艇平面运动数学模型；依据无人艇外场Z型试验数据，利用最小二乘法辨识出无人艇艏向的操纵响应方程，分析推进器电压与航速之间的关系，通过辨识得到相关参数并建立数学模型。 其次，欠驱动无人艇靠泊中包含诸多约束，如无人艇自身的运动约束、近障碍约束、码头末端的速度和艏向约束，本文将轨迹规划主要分为两部分：远码头轨迹规划、码头末端轨迹规划，分别考虑两阶段的主要影响因素，提出基于约束处理的改进人工势场法，完成面向靠泊的轨迹规划；结合轨迹规划中两阶段的实际问题，分析了无人艇艏向、航速控制的模糊规则确定方法，提出了一种分段式的改进模糊PID控制方法，并进行了仿真对比试验。 最终，在松花江进行了无人艇自主靠泊的试验，通过对比不同规划轨迹的跟踪效果，验证了基于约束处理的改进人工势场法所规划的轨迹的可靠性，通过分析实验轨迹跟踪效果，验证了控制器具有良好的控制效果。

目录

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第1章 绪论

1.1 概述

1.2 无人艇的国内外研究现状

1.3 无人艇自主靠泊的研究现状

1.4 论文主要安排

第2章 无人艇数学建模

2.1 引言

2.2 无人艇操纵数学模型

2.3 本章小结

第3章 面向无人艇靠泊的轨迹规划

3.1 引言

3.2 常用的路径规划方法

3.3 人工势场法

3.4 基于靠泊约束分析的改进人工势场法

3.5 本章小结

第4章 大扰动下欠驱动无人艇靠泊控制方法

4.1 引言

4.2 PID控制原理

4.3 模糊控制理论

4.4 改进模糊PID控制算法

4.5 仿真实验及结果分析

4.6 本章小结

第5章 无人艇系统设计与外场试验

5.1 引言

5.2 “海豚Ⅰ号”小型无人艇系统设计

5.3 外场试验与数据分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

致谢