基于CMAC的无人船模糊PID航迹控制技术研究

发布时间：2020-03-27 07:56

【摘要】：无人船作为一种新型智能化海上运动平台,不仅被应用于现代军事化战争中,而且也广泛应用于水道测量、水文水质环境监测中,无人船因其应用的广泛性,己成为了各国家研究新型装备的焦点。由于无人船航行环境的复杂性,在保证其安全航行的前提下如何快速精准的跟踪所设定的航迹是无人船完成其他战略战术目标的前提,因此,设计一种能够适应复杂航行环境的无人船航迹运动控制器是无人船运动控制研究的重要内容。本文以无人实验船为研究对象,为了得到快速精准和抗干扰能力强的航迹控制器,对其航迹控制算法进行设计与优化,采用了基于CMAC神经网络的模糊自适应PID控制方法,使得无人试验船具有更好的航迹跟踪性能与动静态响应,更好地满足无人船控制系统的工程需求。其主要研究内容与研究成果如下:(1)采用整体型建模思想,建立了无人船三自由度平面运动的线性化数学模型,通过设计Labview参数计算平台,得到船舶Nomoto控制模型。(2)分析了模糊控制算法与经典PID算法的控制原理,设计出了一种模糊自适应PID航迹控制器,然后分别在有无风、浪、流干扰的情况下,进行了经典PID航迹控制与模糊自适应PID航迹控制的仿真对比。仿真结果表明,模糊PID控制算法具有更加优良的自适应性能,但加入干扰后,模糊PID控制算法由于模糊规则有限,在抑制抗干扰力方面能力并不强。(3)针对模糊PID控制算法模糊规则有限、抗干扰能力不强的问题,设计了基于CMAC神经网络的模糊自适应PID控制器。在Simulink上建立了对应仿真模型,分别在无干扰和给定风、浪、流等干扰因素的环境条件下进行仿真。由仿真结果可以得出,基于CMAC的模糊自适应PID控制器(FCMAC-PID)在响应快慢、超调量、舵角变化和抑制干扰等方面均比模糊PID控制效果好。(4)根据搭建的硬件原理图,将设计的航迹运动控制器应用到湖北工业大学无人船的航迹运动控制中,在武汉市蔡甸区高湖进行实船验证。实验结果表明,本文所设计的两控制器航迹误差均小于项目性能需求的5m,但FCMAC-PID控制器性能更优,更适合项目需求,同时也验证了所设计控制器的优良性。
【图文】：

船体坐标系

由于存在不确定干扰，对其实际运动状由度的任意运动。研究者选择的参考坐标系船的运动和更有利的实施控制，一般采用两坐标系和以船体为参考的附体坐标系。如图 2.1 所示，以地球表面上一点作为起始点OZ 垂直向下。在惯性坐标系内，水面无人船 , y,z和三个姿态角即航向角φ 横倾角θ 、纵系：如图 2.2 所示，以船体重心作为中心点，OZ 指向地心。图 2.1 惯性坐标系

地球表面,惯性坐标系,起始点,合理程度

水面无人船运动数航迹跟踪控制进行有效分析、学模型。由于实际船舶的运动通常在对实船进行控制前，需水面无人船进行有效操控的基运动特性，另一方面，复杂的难，因此模型的合理程度直接参考坐标系由于存在不确定干扰，，对其实任意运动。研究者选择的参考动和更有利的实施控制，一般和以船体为参考的附体坐标系
【学位授予单位】：湖北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U664.82;TP273

【参考文献】