基于吊舱推进的小型水面无人艇航迹控制研究

摘要

随着自动控制理论、计算机技术和人工智能的快速发展，无人艇是将来船舶发展的必然趋势。虽然国内外学者对无人艇技术的研究已取得一定成功，但这些无人艇大多数适用于海洋环境，专门针对内河水域的无人艇较少。 内河小型水面无人艇主要应用于内河水域的水上搜救、应急、巡航、测量等领域，具有体积小、灵敏度高、无人员伤亡危险等优点。航迹控制是无人艇实现自主航行进而能够完成各类任务最为关键的技术。研究无人艇智能航迹控制系统，实现无人艇自主航行功能，可以有效提高内河环境下海事部门的服务能力，具有非常大的实用价值。此外，吊舱推进比传统的螺旋桨推进方式，机动性更好、推进效率更高，而且布置空间小，因此更适合内河水域船舶使用。 本文的主要研究内容和成果如下： （1）建立了吊舱推进型无人艇非线性响应型模型 本文以课题组研发的iNav无人艇为研究对象，建立了三自由度的吊舱推进式水面无人艇非线性响应型数学模型。通过实船操纵试验的数据结果，采用最小二乘递推算法对非线性响应型模型中的各个参数进行辨识，为接下来的研究奠定了基础。 （2）设计了基于双极模糊控制的无人艇间接航迹控制算法 采用间接航迹控制法，将改进的LOS（Line of Sight）制导算法和双极模糊航向控制算法相结合，实现船舶的自主航行，并通过Matlab仿真平台和实船实验对所设计的算法进行验证。根据仿真实验和实船实验的数据结果显示，该控制算法可以实现无人艇航迹控制。 （3）设计了基于变论域模糊控制的无人艇间接航迹控制算法 为解决控制精度和模糊规则数量之间的矛盾，同时可简化控制器设计过程，将模糊推理应用到变论域模糊控制中，设计出一种变论域的模糊控制算法。最后在Matlab平台上对比两种算法的控制效果，结果表明该算法可以自动调节模糊控制器的输入论域，同时可避免对伸缩因子的模型及参数的选择，减小超调量，完成航迹控制的任务。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 论文拟解决的关键问题和主要研究内容

1.4 论文的技术路线和章节安排

第2章 基于吊舱推进的小型水面无人艇操纵运动模型

2.1 一般船舶的运动方程

2.2 吊舱推进式小型水面无人艇动力系统及控制器设计

2.3 基于吊舱推进的小型水面无人艇响应型模型

2.4 干扰模型

2.5 无人艇响应型数学模型参数的确定

2.6 小结

第3章 基于双极模糊控制的小型水面无人艇间接航迹控制算法设计

3.1 航向控制与航迹控制的基本原理

3.2 基于双极模糊控制的小型水面无人艇航迹控制算法设计

3.3 仿真与实船实验结果

3.4 小结

第4章 基于变论域模糊控制器的小型水面无人艇间接航迹控制算法设计

4.1 变论域模糊控制理论的提出

4.2 变论域模糊控制算法的基础知识

4.3 基于模糊推理的变论域模糊控制介绍

4.4 基于模糊推理的无人艇航迹变论域模糊控制系统设计

4.5 仿真实验结果

4.6 小结

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的论文