基于非线性扩展状态观测器的路径跟随控制研究

摘要

无人驾驶载具根据其工作环境可分为无人飞机、水面无人船舶、水下无人潜行器以及地面无人车辆。随着科学技术的发展以及人类活动的不断扩大，不同类型无人载具的出现可满足各行业无人作业的需求，有效防止安全事故的发生，故发展无人驾驶技术成为未来交通系统的主要趋势。路径跟随控制是无人驾驶技术的重要环节，其鲁棒性关系到无人驾驶载具是否能在实际应用中有良好表现。考虑到自抗扰控制通过扩展状态观测器能对干扰进行有效补偿，具有较强的鲁棒性，因此，本文从非线性ESO观测器的收敛性原理出发，基于齐次非线性ESO观测器，分别设计了水面无人船舶以及无人地面车辆的鲁棒路径跟踪控制器。主要研究工作包括：　　(1)根据Lyapunov稳定性理论以及随机微分方程相关定理，分析了非线性ESO观测器对随机干扰进行均方估计的收敛性，给出观测器在假设条件下的收敛误差，理论分析表明：基于非线性ESO观测器估计随机干扰是可行的。　　(2)针对存在随机集总干扰(包括外界随机干扰和模型不确定性)以及输入饱和的全驱动水面无人船舶，设计了基于三自由度船舶模型的齐次非线性ESO观测器，实现了对随机集总干扰的观测并在控制器设计中进行有效补偿；基于动态面方法设计了考虑输入饱和问题的鲁棒性路径跟随控制器，并通过仿真对比实验验证了方法的有效性。仿真结果显示：相比于传统动态滑模面方法，本文所提出控制器能对预设轨迹进行精确跟随，且不违反相关约束、控制平滑、对随机集总干扰具有很强的鲁棒性。　　(3)基于二自由度车辆模型设计了面向地面无人车辆的鲁棒路径跟随控制器，以提升控制系统的鲁棒性。设计齐次非线性ESO观测器对模型不确定性进行估计，并根据全局快速终端滑模方法设计非线性误差反馈律，同时对不确定性进行补偿以实现对预设路径的跟踪。仿真结果表明：本文所提出的控制方法能保证车辆在各种工况下具有良好的跟随效果，具有较强的鲁棒性。

目录

声明

第 1 章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2路径跟随控制国内外研究现状

1.2.1 USV 路径跟随控制研究现状

1.2.2 智能车路径跟随控制研究现状

1.3目前存在的问题及研究出发点

1.4 本文研究内容

第 2 章 非线性齐次扩展状态观测器的收敛性推导

2.1 声明和相关定理

2.1.1 声明

2.1.2 相关定理

2.2 非线性 ESO 观测器的收敛性分析

2.3 本章小结

第 3 章 鲁棒性路径跟随控制方法在 USV 上的应用

3.1 船舶模型

3.2 HNLESO-DSC 控制系统设计

3.2.1 HNLESO 观测器设计

3.2.2 动态面控制器设计

3.3 稳定性分析

3.4 仿真验证

3.4.1 正弦路径下的路径跟随仿真

3.4.2 圆形路径下的路径跟随仿真

3.5 本章小结

第 4 章 鲁棒性路径跟随控制方法在智能车辆上的应用

4.1车辆动力学模型的建立及问题描述

4.1.1简化的车辆动力学模型

4.1.2 路径跟随问题的描述

4.2 基于 HNLESO 观测器的全局快速终端滑模控制系统设计

4.2.1 HNLESO 观测器的设计

4.2.2 全局快速终端滑模控制器的设计

4.3 HNLESO-GFTSM 方法的仿真验证

4.3.1 仿真环境和控制器参数的设置

4.3.2 不同车速下的对比仿真

4.3.3 低路面附着系数下的对比仿真

4.3.4 存在模型不确定性情况下的对比仿真

4.4 本章小结

总结与展望

1全文总结

2展望

参考文献

附录A(攻读学位期间所发表的学术论文目录)

致谢