欠驱动无人水面船的航迹跟踪控制研究

摘要

无人水面船具有模块化设计、小巧机动以及隐蔽性好等特点，能够满足不同的海洋作业任务需求，在现代海洋开发和作业中扮演着至关重要的角色。无人船已被广泛应用在搜索、救援、探索、监测、侦察等各个方面，在军事上也有广泛应用。而良好的航迹跟踪控制系统是无人水面船工作的基础，能够为无人水面船的各项功能的实现提供基本保证，具有重要的实用价值。
　　无人水面船只通过船尾的两个推进器产生在三自由度平面上的运动形态，控制输入的个数小于自由度的个数，是典型的欠驱动非线性运动系统。并且在复杂多变的海洋环境中，存在着不确定的参数摄动和外界干扰。因此，本次课题研究的主要任务是设计具有良好控制性能的欠驱动无人水面船的航迹跟踪控制器。
　　控制方法的设计首先要基于正确有效的数学模型。本文首先建立船舶在水平面三自由度下的数学模型，通过弱化复杂条件，得到欠驱动无人水面船的运动学模型和动力学模型；并通过水平面定常直航仿真实验和水平面定常回转仿真实验，来验证该模型的直航性能和回转性能，说明改模型的正确性和有效性，为后续控制器的设计提供必备条件。控制律若是关于位置偏差的函数，需要将运动方程转化为关于大地坐标系下位置变量的二阶非线性微分方程组，给控制器的设计带来困难。因此，本文先设计运动学回路控制器，将位置实时跟踪问题转换为速度实时跟踪问题，这样还可以解决航迹不可微分的问题，规划连续可微的期望跟踪航迹。为了完成航速跟踪任务，在运动学回路控制器的基础上，再采用鲁棒性好的滑动模态控制方法，设计动力学回路控制器，该控制器由纵向推力滑模控制律和回转力矩滑模控制律组成，分别设计推进器应产生的纵向推力和回转力矩；并且利用Lyapunov稳定性条件和滑模面到达条件确定滑模控制器参数，该控制参数的确定是在参数摄动和外界干扰上界已知的条件下计算得到。然而，海洋环境并非一成不变，在复杂的无人船运行环境中，模型参数的摄动和外界干扰的变化范围往往无法预知。由于RBF网络具有可以逼近任意连续函数的特点，因此在滑模航迹跟踪控制器的基础上引入RBF神经网络，针对参数摄动和外界干扰上界未知的情况，通过在线动态学习无人船运动系统中的不确定因素，自适应调整滑模航迹跟踪控制器中的控制参数，得到基于RBF神经滑模控制方法的航迹跟踪控制器，完成欠驱动无人水面船的航迹跟踪任务。最后，在MATLAB仿真环境中，通过直线航迹跟踪和环形航迹跟踪，检验控制器的直航跟踪控制能力和回转跟踪控制能力，验证了本文所设计的航迹跟踪控制器的可行性和有效性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究的目的与意义

1.2 无人水面船的国内外发展现状

1.3 欠驱动非线性系统控制的国内外研究现状

1.4 论文的主要研究内容及章节安排

第2章 欠驱动无人水面船的数学模型

2.1 引言

2.2 运动参考坐标系

2.3 运动学分析建模

2.4 动力学分析建模

2.5 船舶综合模型及其特征

2.6 欠驱动无人水面船的数学模型

2.7 欠驱动无人水面船数学模型的仿真验证

2.8 本章小结

第3章 基于滑模控制的航迹跟踪控制器设计

3.1 引言

3.2 滑模控制设计原理

3.3 Lyapunov稳定性理论

3.4 基于滑模控制的航迹跟踪控制器设计

3.5 本章小结

第4章 基于RBF神经滑模控制的航迹跟踪控制器设计

4.1 引言

4.2 神经网络控制方法原理

4.3 RBF神经滑模航迹跟踪控制律设计

4.4 稳定性分析

4.5 本章小结

第5章 航迹跟踪控制器的仿真验证

5.1 引言

5.2 滑模航迹跟踪控制器的仿真验证

5.3 RBF神经滑模控制器的仿真验证

5.4 本章小结

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