欠驱动水面无人船的目标跟踪控制

摘要

随着海洋科技发展，水面无人船(USV)在海洋国土监视、灾难搜索营救、近岸预警及防御等领域具有广泛的应用。运动控制技术是衡量USV自主能力和智能化水平的重要标志，研究人员一直致力于寻求有效控制方法实现USV的自主运动控制，并取得了一定研究成果，不断探索USV运动控制技术具有重要的理论意义和实用价值。
　　本文研究了含模型不确定性与未知海洋环境扰动的欠驱动USV目标跟踪控制问题，提出了仅需相对位置信息的目标跟踪算法。论文的主要研究工作包括:概括了USV运动控制的国内外研究现状，介绍了跟随USV的运动学方程和动力学方程以及目标的运动学方程;建立了目标与跟随USV的相对运动方程，针对目标速度信息未知情形，采用降阶扩张状态观测器（RESO）估计与目标速度相关的不确定性，在RESO的基础上设计了目标跟踪运动学制导律，并采用级联系统稳定性和输入-状态稳定性定理(ISS)分析了闭环系统的稳定性;采用基于预估器的回声状态网络(ESN)逼近USV的模型不确定性与未知海洋环境扰动，引入非线性跟踪微分器(NLTD)，采用改进的神经网络动态面方法设计USV自适应动力学控制律，采用级联系统稳定性和输入-状态稳定性定理(ISS)分析了闭环系统的稳定性。针对提出的目标跟踪控制方法，在Matlab/Simulink平台搭建仿真模型，验证了目标作匀速直线及S曲线运动时，所提目标跟踪控制方法的有效性;采用DH-01小型USV实验平台进行实验，验证了目标跟踪制导律的可行性，目标跟踪控制精度达到0.2米。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 研究现状

1．2．1 USV运动控制方式

1．2．2 目标跟踪研究现状

1．3 本文的研究内容

第2章 欠驱动水面无人船数学模型

2．1 欠驱动系统模型

2．2 USV运动数学模型

2．2．1 参考坐标系

2．2．2 欠驱动USV运动学方程

2．2．3 欠驱动USV动力学方程

2．3 欠驱动无人船运动控制系统特点

2．4 本章小结

第3章 基于运动学的目标跟踪控制

3．1 USV目标跟踪控制

3．2 运动学控制理论基础

3．2．1 扩张状态观测器

3．2．2 输入-状态稳定性

3．3 目标跟踪问题描述

3．4 不确定性估计

3．4．1 RESO估计

3．4．2 子系统稳定性分析

3．5 运动学控制方案

3．5．1 运动学制导律

3．5．2 子系统稳定性分析

3．6 级联系统稳定性分析

3．7 本章小结

第4章 欠驱动水面无人船动力学控制

4．1 动力学控制方案

4．2 回声状态网络

4．3 改进的动态面方法设计

4．4 模型不确定性及未知扰动逼近

4．4．1 未知函数逼近

4．4．2 子系统稳定性分析

4．5 动力学控制器设计

4．5．1 动力学控制律

4．5．2 子系统稳定性分析

4．6 闭环系统稳定性分析

4．7 本章小结

第5章 欠驱动水面无人船目标跟踪控制仿真及结果

5．1 基于运动学的目标跟踪控制仿真

5．1．1 运动学仿真模型

5．1．2 运动学仿真结果

5．2 动力学控制仿真

5．2．1 动力学仿真模型

5．2．2 动力学仿真结果

5．3 本章小结

第6章 实验验证

6．1 实验平台简介

6．2 实验结果

总结与展望

参考文献

致谢

作者简介