无人船建模及路径跟踪控制

发布时间：2020-09-19 17:49

　　在各种不确定的海洋环境因素干扰下,利用有效的控制算法实现航迹跟踪控制是无人船(Unmanned Surface Vessel,USV)能顺利完成科研勘探、水文测绘、搜救巡逻等任务的前提。由于无人船的非线性、高阶性以及不确定性,为其建立精确的动力学模型具有很大难度。在现有的研究中多数控制器的参考输入是期望的纵荡速度和船舶的航向角,将其定义为时间的函数可能会使欠驱动无人船偏离期望航迹。为解决以上问题,本文将船舶制导系统与航向控制算法集成,针对无人船的控制算法开展研究工作。本文首先基于分离型机理模型,建立了无人船六自由度的运动数学模型以及干扰模型,为后续控制器的设计奠定基础。制导和控制是船舶控制系统实现复杂自动航行任务的两大重要模块。在制导方面,针对当前的视线(Lineof Sight,LOS)制导算法存在当航迹误差较大时无人船收敛到期望航迹的速度较慢,以及在航路点位置附近采用自动转向的缺点,提出了改进LOS制导算法。该算法能在航迹误差较大时,引导船舶快速收敛到航线,在航途参考点切换过程中提供了合理的导航机制。在控制方面,本文针对固定增益PID控制器通常不能在某些工作点提供令人满意的控制性能,以及控制参数整定困难的问题,设计了 PID-GA控制器。利用遗传算法(Genetic Algorithm,GA)针对不同的航迹及海况选择最优增益参数,根据航迹和海况的变化在线进行增益调节。仿真结果表明所设计的PID-GA控制器较传统PID控制器具有更好的自适应能力和抗干扰能力,但是仍然没能实现智能控制。最后,针对船舶操纵的固有非线性、不确定性和欠驱动特性,以及无法获得无人船精确的运动数学模型,本文利用强化学习中深度确定性策略梯度(Deep Deterministic Policy Gradient,DDPG)算法设计了 DDPG-H控制器,实现了智能控制。DDPG-H控制器通过环境的实时反馈自主学习控制无人船跟踪已知航迹,仿真结果证明了 DDPG-H控制器具有良好的控制性能,能完成高精度的航迹跟踪。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：U664.82
【部分图文】：

斯巴达,侦察兵

纵观无人船的整个发展历程，无人船的军事应用大大地促进了其发展。美国逡逑是研究无人船相对较早的国家，早在第二次世界大战时期，美军就在无人船上架逡逑设枪炮和导弹用于作战。如图１．１邋（ａ）所示，美国在２００２年进行了各种实验试逡逑航的“斯巴达侦察兵”，增强了无人船的自主航行和载重能力，它是高新技术的逡逑示范项目及无人船的标志性代表，其各项技术水平在当时均已遥遥领先。如图１．１逡逑（ｂ）所示，２０１６年美国１３２英尺长的“ＳｅａＨｕｎｔｅｒ”号已下水，在世界各大洋巡逡逑逻追逐和跟踪敌潜艇，这艘世界上最大的无人船，将独立完成所有任务。逡逑（ａ）斯巴达侦察兵逦（ｂ）邋Ｓｅａ邋Ｈｕｎｔｅｒ逡逑图１．１斯巴达侦察兵和Ｓｅａ邋Ｈｕｎｔｅｒ逡逑作为一个沿海国家，以色列在无人船的研究上也毫不逊色于美国。２００３年，逡逑以色列研发了“保护者”，如图１．２所示，几乎与美国的“斯巴徸侦察兵”在同逡逑一时期，但是在性能上增加了隐身功能，一时成为了世界各国关注的焦点。随后，逡逑以色列研制了性能优越的“银色马林鱼”

三体式,水下智能机器人,下水试验,直流电驱动

处于快速发展阶段，但在研究真正意义上的无人船自主航行与美国等西方国家仍逡逑有较大差异。２００８年，沈阳航天新光集团有限公司自主研发的“天象一号”无人逡逑船下水试验成功，如图１．３邋（ａ）所示，主要用于气象探测和水文参数测量，我逡逑国第一艘真正无人驾驶的船舶由此诞生。逡逑沈阳自动化研究所、哈尔滨工程大学及上海大学等研究机构在无人驾驶船舶逡逑的发展上也取得了邋一定的进展。沈阳自动化研究所研发了一艘采用直流电驱动的逡逑三体式无人船；哈尔滨工程大学在研制水下智能机器人方面积累了大量的研究经逡逑４逡逑

天象,筋斗

逑验，现在正致力于无人船的船体设计和自主导航等的研究［１６］；上海大学研发的逡逑“精海”系列无人船，如图１．３邋（ｂ）所示，具有半自主、全自主开放式的平台，逡逑可方便有效地搭载侦察、测量、传感等各种任务载荷。逡逑（ａ）天象一号逦（ｂ）精海逡逑图１．３天象一号和精海逡逑在国内，中国第一家专注于无人船技术的企业，当属珠海云洲智能科技有限逡逑公司。其设计的产品涉及水质监测、水上巡逻、水域研究等方面，先后推出了逡逑ＭＥ７０测绘无人船、ＥＳＭ３０采样监测无人船、Ｌ３０水上消防无人艇、Ｍ８０Ｂ探测逡逑无人船等。图１．４邋（ａ）所示为一艘云洲无人艇。２０１７年，由中国船级社和其他研逡逑究机构携手云洲联合推出了世界上第一个小型无人船项目，这艘无人货船命名为逡逑“筋斗云”，如图１．４邋（ｂ）所示。逡逑（ａ）云洲无人艇逦（ｂ）筋斗云逡逑图丨．４云洲无人艇和筋斗云逡逑１．３无人船航迹跟踪研究现状逡逑目前，对无人船运动控制的研究主要有以下两个基本任务：点对点运动控制逡逑和航迹跟踪控制｜１７］。点对点运动控制，即姿态德定控制，包括动态定位和自动泊逡逑位控制。根据航迹、航向等偏差与时间的关系

【参考文献】