无人艇建模及操纵运动仿真的研究

摘要

随着国际海洋局势发展的需要，有关水面无人艇技术的研究正日渐受到世界各国的普遍重视。水面无人艇不仅可以作为维护海洋权益及监测海洋环境动态的重要工具，而且还能够在无人员现场操控的情形下执行特定的任务，在很大程度上摆脱了需要人在极端的环境条件下进行工作的限制。因此，针对无人艇的课题研究有着重要的实际意义和应用价值。本文以大连海事大学“蓝信”号无人艇为试验研究对象，主要的研究内容分为以下几部分:
　　首先，通过分析高速水面无人艇的操纵运动机理，在随艇附体坐标系中，根据质心运动定理和相对质心运动的动量矩定理推导出了无人艇六自由度运动方程;在此基础上，采用MMG分离建模思想，将水面无人艇的受力分解为惯性类流体动力、粘性类流体动力、艉机推进力、风干扰力以及波浪干扰力等，并且针对各项分力分别建立了相应的力学模型，并最终完成了水面无人艇六自由度操纵运动数学模型的建立。
　　其次，设计编写了用于控制“蓝信”号无人艇做回转试验及Z型试验的计算机程序，并在适宜海况条件下进行了实艇的回转试验及Z型试验，获取了能够反映“蓝信”号无人艇真实操纵性能的大量试验数据，利用递推最小二乘算法辨识得到了“蓝信”号无人艇的操纵运动响应型模型参数，并且通过仿真试验验证了参数辨识结果的可行性与合理性。
　　最后，结合模糊控制算法与常规PID控制算法，设计了一种模糊自适应PID航向控制器，并给出了控制器参数的自适应模糊整定规则，从而实现了控制器参数的在线自整定。在风浪流干扰的情况下，分别进行了常规PID航向控制与模糊自适应PID航向控制的仿真，结果表明，该模糊自适应PID控制算法较常规PID控制算法能够使水面无人艇的航向控制具有更为良好的动态响应性能，同时，对参数摄动以及外界环境干扰都具有非常良好的鲁棒性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 无人艇的研究背景及意义

1．2 国内外研究现状及发展趋势

1．2．1 国外无人艇研究现状

1．2．2 国内无人艇研究现状

1．3 本文主要内容

第2章 无人艇操纵运动数学建模

2．1 基本假设和坐标系

2．1．1 基本假设

2．1．2 坐标系的建立及坐标间的转换

2．2 无人艇六自由度操纵运动数学模型

2．2．1 无人艇空间运动方程

2．2．2 无人艇空间运动受力分析

2．3 作用于无人艇上的流体动力和力矩

2．3．1 惯性类流体动力和力矩模型及其近似估算

2．3．2 粘性类流体动力和力矩模型及其近似估算

2．4 艉机推进器力学模型

2．4．1 螺旋桨推力模型

2．4．2 有界形式的四象限螺旋桨工作特性

2．4．3 螺旋桨工作特性曲线的解析形式

2．4．4 推力减额系数的计算

2．4．5 桨处伴流系数的计算

2．5 无人艇主机特性模型

2．6 风干扰力数学模型

2．6．1 相对风速和相对风向角的计算

2．6．2 无人艇艇体上的平均风压力和力矩

2．6．3 风压力系数和风压力矩系数的估算

2．7 波浪干扰力数学模型

2．7．1 规则波的数学描述

2．7．2 波浪干扰力和力矩的计算

第3章 无人艇操纵运动响应模型的建立与参数辨识

3．1 无人艇操纵运动响应方程的建立

3．2 最小二乘参数辨识方法

3．2．1 最小二乘法的基本算法

3．2．2 递推最小二乘算法的基本原理

3．2．3 递推最小二乘算法的分析与设计

3．3 无人艇操纵运动响应方程的辨识

3．3．1 实艇操纵试验设计

3．3．2 参数辨识及模型验证

第4章 基于模糊自适应PID的无人艇航向控制器设计

4．1 模糊PID控制系统

4．2 模糊自适应PID航向控制器

4．2．1 航向控制仿真模型

4．2．2 干扰仿真模型

4．3 仿真结果及分析

4．3．1 未引入干扰的仿真结果及分析

4．3．2 引入干扰的仿真结果及分析

第5章 结论与展望

参考文献

致谢