欠驱动水面无人艇的协同控制研究

摘要

随着海洋科技的快速发展，水面无人艇作为一种重要的海洋作业工具为人们所熟知。传统的水面无人艇运动控制主要是研究单无人艇的运动控制，而对于无人艇集群的编队协同控制这方面的研究却不多。伴随着技术的发展，许多科研人员和学者将精力投入到研究无人艇集群的编队控制问题上。水面无人艇集群的编队技术在军事领域和民用领域都有很高的应用价值，并且水面无人艇是一类特殊的智能体系统，具有本质非线性、非完整约束及欠驱动等特性。因此，研究欠驱动水面无人艇的运动控制问题，具有重要的实际价值和理论意义。
　　本文在深入分析了国内外关于欠驱动水面无人艇控制问题研究成果的基础上，基于反步法和李雅普诺夫稳定性理论，对欠驱动水面无人艇的轨迹跟踪控制及编队控制问题进行了研究，研究内容分以下几个方面：首先，欠驱动水面无人艇的模型分析及问题描述。无人艇的运动状态由惯性坐标系和附体坐标系来描述，并给出了两个坐标系之间的转换关系。研究了欠驱动无人艇运动的数学描述方法，即动力学和运动学公式，进而提出了无人艇轨迹跟踪控制和编队控制的控制目标。其次，欠驱动水面无人艇的轨迹跟踪控制。研究了欠驱动无人艇的简化三自由度模型，并建立了轨迹跟踪误差模型。应用时变状态反馈和反步法设计了轨迹跟踪控制器，并应用李雅普诺夫直接法分析了控制系统稳定性。通过Matlab仿真，验证了该控制器的有效性。最后，欠驱动水面无人艇的编队控制。应用领导者-跟随者方法建立无人艇集群的编队控制模型。根据控制目标，应用反步法和李雅普诺夫直接法设计编队控制器，使得集群保持相应队形。通过Matlab仿真，验证了编队控制器的有效性。
　　通过所设计的控制器，实现了无人艇的轨迹跟踪控制和编队控制，并总结了论文中所做的工作和存在的不足，提出了有待进一步探讨的问题。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究概况

1.3 论文的主要研究内容

2 模型分析及预备知识

2.1 引言

2.2 欠驱动无人艇的模型分析

2.3 问题描述

2.4 理论基础

2.5 本章小结

3 欠驱动水面无人艇的轨迹跟踪控制

3.1 引言

3.2 轨迹跟踪控制误差模型建立

3.3 轨迹跟踪控制器设计

3.4 轨迹跟踪控制稳定性

3.5 轨迹跟踪仿真结果

3.6 本章小结

4 欠驱动水面无人艇的编队控制

4.1 引言

4.2 编队控制误差模型建立

4.3 编队控制器设计

4.4 编队控制稳定性分析

4.5 编队控制仿真结果

4.6 本章小结

5 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 课题展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表论文及专利目录

附录2 攻读硕士学位期间参与的科研项目