基于非对称模型的欠驱动USV运动控制技术研究

摘要

水面无人艇（简称USV）在军事应用、商业开发、科学考察等方面表现出了广阔的应用前景和巨大的商业价值，近年来备受世界各国研究人员的关注和重视；运动控制系统设计是USV研制的核心内容之一，良好的运动控制性能是USV完成各项任务使命的最基本前提；由于不含侧推进器，导致USV系统成为典型的欠驱动系统和二阶非完整约束系统，对欠驱动USV运动控制技术的研究，既可为USV运动控制系统设计提供可靠的技术参考，又将促进和推动欠驱动系统理论和非完整约束系统理论的发展。
　　在标准的船舶空间六自由度运动模型基础上，考虑USV的欠驱动特性和模型前后不对称特性，建立了非完全对称的欠驱动USV运动模型；考虑USV高速航行时系统阻尼系数与速度存在复杂的耦合关系，建立了非完全对称的欠驱动高速USV运动模型；以海流相对速度模型代替随机干扰力模型，建立了海流干扰条件下非完全对称的欠驱动高速USV运动模型。
　　航速航向控制系统方面，主要研究了航速航向控制算法的设计与实现：基于实验室于2003年提出的具有开创性的S面运动控制算法，提出了一种自适应专家S面运动控制算法，用于USV的航速航向控制，并通过大量的室内水池和外场水池试验验证了算法的可靠性和优越性。
　　针对欠驱动USV的镇定控制问题，基于级联系统理论、非线性反步法以及Lyapunov稳定性理论等，提出了一种非对称模型下的欠驱动USV镇定控制方法；设计漂角极坐标系作为USV的动坐标系，将漂角、艏向角与极角融合处理，提出了一种极坐标系下的非对称欠驱动USV分块反步法镇定控制方法；将用于高速飞行器控制系统设计的齐次性理论和平均系统理论，引入到高速USV镇定控制问题研究当中，提出了一种具有鲁棒性的非对称欠驱动高速USV指数镇定控制方法；以海流相对速度模型代替随机干扰力模型，设计了一种海流干扰条件下的非对称欠驱动USV镇定控制器，推导了海流流向角与目标艏向角限定条件，分析了不同海流流向和流速对镇定控制器的影响，研究了USV模型非对称性和海流干扰影响在镇定控制过程中考虑的必要性问题。
　　针对欠驱动USV的路径跟随控制问题，基于非线性反步法、视线导向算法以及拉塞尔不变原理等，提出了一种非对称模型下的欠驱动USV路径跟随控制方法，分析了模型非对称性因素在USV路径跟随控制中考虑的必要性；考虑USV高速航行时系统阻尼系数与速度存在复杂的耦合关系，基于改进的视线导向算法，在Serret-Frenet坐标系下设计了一种非对称欠驱动高速USV的路径跟随控制器，研究了随高航速变化的阻尼系数对USV路径跟随运动控制性能的影响；以海流相对流速模型代替传统干扰力模型，提出了一种海流干扰条件下的非对称欠驱动USV路径跟随控制方法，研究了海流干扰影响在USV路径跟随控制过程中考虑的必要性问题。
　　针对欠驱动USV的轨迹跟踪控制问题，考虑USV模型非完全对称情况下阻尼系数矩阵和惯性系数矩阵非对角线元素存在非零项，且高速航行过程中阻尼系数与航速存在复杂耦合关系，通过两次全局微分同胚变换简化了USV轨迹跟踪系统模型，基于级联系统理论和Lyapunov直接法，提出了一种非对称模型下的欠驱动高速USV轨迹跟踪控制方法，实现了任意参考轨迹的跟踪控制，同时包含原点的镇定控制，解决了轨迹跟踪控制过程中的角速度持续激励问题；以海流相对流速模型代替传统干扰力模型，提出了一种海流干扰条件下的非对称欠驱动USV轨迹跟踪控制方法，分析了不同海流流向和流速对轨迹跟踪控制器的影响，研究了海流干扰影响在USV轨迹跟踪控制过程中考虑的必要性问题。
　　基于非完全对称的欠驱动USV运动模型，考虑USV的高航速特性和存在海流干扰影响等问题，本文系统而深入的研究了非对称欠驱动USV的镇定控制、路径跟随控制以及轨迹跟踪控制的内容，可为USV运动控制系统设计提供重要的技术参考。

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第1章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 USV研究概况

1.3 USV运动控制研究现状

1.4 现有研究的不足与本文研究内容

1.5 论文主要结构

第2章 非对称欠驱动USV运动数学建模

2.1 引言

2.2 船舶空间六自由度运动模型

2.3 USV水平面三自由度运动模型

2.4 本章小结

第3章 USV航速航向控制

3.1 引言

3.2 SL号USV运动控制系统设计

3.3 USV航速航向控制算法设计

3.4 USV航速航向控制试验研究

3.5 本章小结

第4章 基于非对称模型的欠驱动USV镇定控制

4.1 引言

4.2 基于非对称模型的欠驱动USV镇定控制

4.3 极坐标系下欠驱动USV分块反步镇定控制

4.4 高速USV鲁棒指数镇定控制

4.5 海流干扰条件下的欠驱动USV镇定控制

4.6 本章小结

第5章 基于非对称模型的欠驱动USV路径跟随控制

5.1 引言

5.2 基于非对称模型的欠驱动USV路径跟随控制

5.3 欠驱动高速USV路径跟随控制

5.4 海流干扰条件下的欠驱动USV路径跟随控制

5.5 本章小结

第6章 基于非对称模型的欠驱动USV轨迹跟踪控制

6.1 引言

6.2 基于非对称模型的欠驱动高速USV轨迹跟踪控制

6.3 海流干扰条件下的欠驱动USV轨迹跟踪控制

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢