基于广义预测控制的无人艇航迹跟踪研究

发布时间：2020-07-25 18:31

【摘要】：目前,世界各国围绕海洋权益的争夺日益升温,世界大国正将目光转向海洋。随着科技的发展,无人化、智能化的设备越来越多,适应这一趋势的水面无人艇受到世界各大国的重视。无人艇作为一种无人智能海洋运载平台,可以在复杂的水域环境中自主航行与作业,并且它具有较好的操作性、控制性、灵活性和可靠性。它在未来战争、海洋科研中都是较好的选择。在领海监视、海洋研究、海图绘制、通信中继、等领域有极广的应用前景。在船舶运动控制领域,船舶的航迹跟踪控制一直是重点研究的课题。虽然目前国内对水面无人艇航机跟踪的研究有不少,但是大部分是停留在理论研究仿真阶段。本文将采用理论分析、模型仿真以及实物验证相结合的方式,对水面无人艇的航迹跟踪控制器进行设计,同时在实物无人艇上对算法进行验证以实现航迹跟踪的目标。无人艇的航迹控制方式直接和间接两种方式,由于在直接控制方式中很难获得模型的动态参数,所以本文选择使用间接航迹控制方式。这种算法的算法结构相对简单,同时在技术上比较可靠,在工程上比较容易实现。间接航迹控制方式,在控制器设计时需要分别考虑设计航迹控制器和航向控制器。根据无人艇航迹跟踪系统设计的要求,本文主要分为船舶模型建立、航向控制器设计与仿真、航迹跟踪控制器设计与仿真、航迹跟踪算法的实物验证四部分。首先,本文通过建立坐标系入手,对船舶进行受力分析,建立船舶六自由度方程,然后通过简化将模型变为船舶水面三自由度方程,根据Abkowitz提出了小扰动和Taylor展开方法进行简化计算,将船舶模型化为K-T方程,为航迹跟踪控制提供数学模型。其次,航向控制的方法有很多种,通过对各种算法进行比较,本文采用的是广义预测控制的算法进行航向控制。GPC以预测模型为基础,采用在每个采样点的有限采样时间内不断向前滚动优化,并利用实际测量数据通过反馈校正控制量误差,克服系统由于参数变化、干扰等因素引起的模型变化和系统的不确定性。本文先对广义预测算法进行理论推导,然后设计控制策略。根据建立好的船舶模型,在输入给定的航向角后,对模型的输出进行预测,预测出参考轨迹,由控制器发出指令舵角,船舶开始运动,然后将船舶当前状态下的舵角反馈给控制器,对原来的指令舵角进行优化及校正。然后,本文采用的是LOS导航算法对航迹控制器进行设计。LOS导航算法利用位置高效地获取期望航向角,期望航向的获取独立于动力学控制器,只与实际位置和给定航迹有关。该算法利用了船舶位置与期望位置之间简单的几何关系判断可视性,然后得出期望航向角。将船舶的位置和舵角分别反馈给LOS算法和GPC控制器,LOS计算出期望航向角,GPC控制器跟踪该航向角,得到新的指令舵角,重复上述操作就实现了船舶航迹的连续跟踪。最后,将设计的基于广义预测控制的航迹跟踪控制器应用到HUSTER-12s无人艇航迹跟踪控制中。实船实验结果表明了该方法在实际水域环境下的可行性和有效性,而且控制精度高,具有实用价值。
【学位授予单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U664.82
【图文】：

动坐标,大地坐标,单位向量

基于广义预测控制的无人艇航迹跟踪研究而其中0Z 轴指向垂直于00X -Y平面，指向地心，而0i 表0 轴的单位向量，0k 表示0Z 轴的单位向量。对于动坐标的中点，其中x轴、y 轴、z 轴分别指向船首、右舷、龙单位向量。坐标系统oxyz是建立在船舶上的，在空间上惯性坐标系[3-5]。

定义表,大地坐标系,坐标系,基本参数

0sinseccossec坐标系与大地直角坐标系之间的转换发展，手机导航，车载导航，人们出门前总要导航一下变得越来越重要。GPS 定位成果属于 WGS-84 坐标系标系。GPS 确定的位置为经纬度，多数情况定位的坐标为了解决这个问题，需要研究大地直角坐标系和 WGS者不管是在位置、方向还是尺度上有一个固定的关系[地坐标系为一个协议地球参考系。这一坐标系是按照S(国际地球参考系)的标准进行定义的。原点选取在整量中心，参考 IERS 的标准，Z 轴指向 IRP 方向， X 轴轴正交的赤道面的交线，坐标系符合右手直角坐标系，。

示意图,水面运动,三自由度,船舶

rIpIqIrIqIpyzxyyyxzxyxxxzzzxz面三自由度一般方程立的数学模型包括有前进、横移、转首、由度上运动。在工程上，需要在满足实际的动态特性航向控制，航迹控制等进行研移方向上的运动v以及船舶以Z 轴为转轴运动的影响，一般做忽略不计处理。此轴做旋转运动，因而取 w p q 0。这型进行简化，化简成一个三个自由度的舵角用表示，漂角用表示，船舶的运

【参考文献】