基于自抗扰控制算法的水面无人艇航向自动舵设计

发布时间：2017-10-16 01:18

  本文关键词：基于自抗扰控制算法的水面无人艇航向自动舵设计

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【摘要】：无入艇的关键技术是自主航行和智能避碰,而自动舵是其关键设备。由于无人艇自身的动态模型不仅具有参数不确定性、非线性等特点,而且在航行过程中易受到风、浪、流等海洋环境的干扰,解决无人艇运动控制的鲁棒性问题尤为重要。为此,本文结合ADRC在相关领域的研究,将自抗扰控制算法应用于水面无人艇的航向控制。 本文阐述了课题的研究背景和意义,介绍了国内外水面无人艇的发展现状及自动舵的发展历程,分析了无人艇航向控制的研究现状。全面叙述了自抗扰控制技术的提出、发展历程以及应用研究现状。分析了经典PID控制的优缺点和改进措施,论述了自抗扰控制器的结构组成和基本原理。针对带有舵机非线性特性的的二阶Nomoto模型,基于二阶ADRC设计了无人艇航向自抗扰控制器。 本文采用整体型建模思想,建立了响应型无人艇三自由度平面运动的线性化数学模型,给出了舵机模型,并建立了风、浪、流环境干扰数学模型。基于所建立的数学模型,分别在有无环境干扰和参数摄动的情况对自抗扰控制器进行了仿真研究,并与PID控制器进行了仿真对比。仿真结果验证了自抗扰控制的有效性,自抗扰控制器对于无人艇航向运动的非线性、不确定性和环境干扰均具有较强的鲁棒性,不仅能实现平滑操舵,而且操舵量小,节约了能源,满足无人艇高精度航向控制的要求。 本文根据航向自动舵的要求,对硬件进行了详细设计,对于各功能软件模块进行了编程调试,以STM32为核心控制器的无人艇航向自动舵能够满足了无人艇航向控制的功能需求。
【关键词】：水面无人艇 航向控制 自抗扰控制器 自动舵
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U664.36;U674.7
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-9
• 第1章 绪论9-17
• 1.1 课题背景和研究意义9-10
• 1.2 水面无人艇发展现状10-16
• 1.2.1 国内外无人艇研究现状10-11
• 1.2.2 自动舵的发展11-12
• 1.2.3 无人艇航向控制研究现状12-14
• 1.2.4 自抗扰控制器的发展和研究现状14-16
• 1.3 论文结构16-17
• 第2章 水面无人艇运动及干扰数学模型17-26
• 2.1 无人艇运动数学模型17-22
• 2.1.1 无人艇运动坐标系17-18
• 2.1.2 无人艇三自由度平面运动18
• 2.1.3 无人艇平面运动数学模型18-21
• 2.1.4 无人艇线性响应型数学模型21-22
• 2.2 舵机模型22-23
• 2.3 干扰数学模型23-25
• 2.3.1 海风干扰23-24
• 2.3.2 海浪干扰24-25
• 2.3.3 海流干扰25
• 2.4 本章小结25-26
• 第3章 水面无人艇航向自抗扰控制器设计26-43
• 3.1 经典PID控制器的优点和缺陷26-27
• 3.2 自抗扰控制器的组成27-33
• 3.2.1 跟踪微分器(TD)28-30
• 3.2.2 扩张状态观测器(ESO)30-32
• 3.2.3 非线性状态误差反馈(NLSEF)32-33
• 3.3 无人艇航向自抗扰控制器设计33-35
• 3.3.1 自抗扰控制器的算法设计33-34
• 3.3.2 无人艇航向自抗扰控制器的参数整定34-35
• 3.4 无人艇航向控制的仿真分析35-41
• 3.4.1 无外界干扰下的控制仿真37-39
• 3.4.2 海浪干扰下的控制仿真39-41
• 3.4.3 参数摄动时的控制仿真41
• 3.5 本章小结41-43
• 第4章 航向自动舵的设计方案43-55
• 4.1 航向自动舵的硬件设计43-48
• 4.1.1 系统概述43-44
• 4.1.2 微控制器44-45
• 4.1.3 供电电路设计45
• 4.1.4 串口通讯电路设计45-46
• 4.1.5 舵角反馈电路设计46-47
• 4.1.6 操舵控制电路设计47-48
• 4.1.7 LCD液晶显示电路设计48
• 4.2 航向自动舵系统的软件设计48-54
• 4.2.1 PC机程序设计48-50
• 4.2.2 PC机与艇载信息综合处理系统的串口通讯协议50
• 4.2.3 PC机与单片机之间的串口通讯协议50-51
• 4.2.4 微控制器程序流程图51-52
• 4.2.5 工作模式流程图52-54
• 4.3 本章小结54-55
• 第5章 总结与展望55-57
• 5.1 总结55
• 5.2 存在的问题和改进55-56
• 5.3 展望56-57
• 参考文献57-61
• 附录61-65
• 致谢65

【参考文献】

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本文编号：1039803