无人水面船运动控制体系结构及航迹跟踪控制方法研究

摘要

随着海洋战略意义的不断提升，海洋运载器的发展受到越来越多国家的重视。无人水面船作为集智能控制、远程通信、探测侦查、排除海上障碍等多种功能于一身的海洋运载器，已经成为当今水面舰艇里不可或缺的一员。为了使无人水面船能够较好地完成规定任务，实现精确攻击以及快速作战，研究其运动控制系统以及航迹跟踪控制具有重要的现实意义和较高的利用价值。
　　本文首先建立了无人水面船三自由度非线性运动模型，包括运动学方程和动力学方程。介绍了喷水推进器的工作原理，分析了其喷水特性。并对所建的船舶模型进行了直航、回转仿真验证，确认了模型的正确性，为后面的控制器设计提供了模型依据。
　　然后对无人水面船运动控制系统体系结构进行了研究，体系结构作为整个系统的上层建筑，对系统的设计开发起到至关重要的作用。USV运动控制系统在其体系结构的基础上进行研究设计，可以体现控制系统的模块化与层次化，并在一定程度上体现了无人水面船的智能化控制。在介绍了几种典型的体系结构的基础上，结合无人水面船运动控制系统组成框架，首先设计了无人水面船运动控制系统分层递阶式体系结构，并对该体系结构的各个组成模块进行介绍分析。针对分层递阶式体系结构的缺点，以管理类型体系结构为基础，又设计了无人水面船运动控制系统混合式体系结构，并对混合式体系结构的每一层进行了介绍说明。
　　在设计无人水面船航迹跟踪控制器之前，首先对滑模变结构基本理论以及李亚普诺夫稳定性理论和定理进行了介绍，为后面的控制器设计提供理论依据。在设计滑模跟踪控制器时，为了实现船舶位置跟踪误差的收敛，首先设计了运动学回路虚拟控制器，将船舶的前向速度和侧向速度作为虚拟控制输入；然后设计了动力学回路滑模控制器，使得船舶的实际运动速度可以跟踪虚拟控制输入。无人水面船动力学回路滑模控制器分为两部分设计，即纵向推力滑模控制律以及转向力矩滑模控制律。在设计控制律时，首先要选取合适的滑动平面函数，然后在该函数的基础上，根据运动学方程以及控制目标设计滑模控制律。最后对所设计的航迹跟踪控制器进行了稳定性分析，并在 Matlab中进行了仿真，仿真结果表明所设计的控制器满足控制要求。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 研究目的与意义

1.3 课题研究现状

1.4 本文研究内容

第2章 运动建模及特性分析

2.1 无人水面船操纵性模型

2.2 无人水面船喷水推进动力分析

2.3 船舶模型仿真验证

2.4 本章小结

第3章 无人水面船运动控制系统体系结构研究

3.1 无人水面船运动控制系统组成架构

3.2 几种典型的体系结构

3.3 无人水面船运动控制系统分层递阶式体系结构设计

3.4 无人水面船运动控制系统混合式体系结构

3.5 本章小结

第4章 基于滑模的航迹跟踪控制方法研究

4.1 滑模变结构控制

4.2 稳定性理论和定理

4.3 基于回路式的航迹跟踪控制方法

4.4 无人水面船航迹跟踪滑模控制器设计

4.5控制器仿真及其结果

4.6 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