基于生物启发的无人艇轨迹跟踪控制
发布时间：2021-03-22 08:14
无人水面艇（Unmanned Surface Vessel,USV）的轨迹跟踪是完成海洋勘探,编队航行,军事侦察等任务的不可或缺的重要手段。但由于USV所具有的欠驱动,非线性,高耦合等特性,再加上环境干扰等因素的影响,USV的轨迹跟踪控制就更加困难。基于上述原因,本文采用基于生物启发的反步法与反步滑模控制方法对控制器进行设计。对于USV轨迹跟踪控制器设计中存在的微分膨胀,输入饱和,环境干扰等问题进行了处理,并进行了仿真验证。本文具体的研究工作如下述所示:1.建立了欠驱动无人艇的数学模型。基于分离模型建模的思想,建立了北东坐标系和船体坐标系,并用其描述了USV的六自由度数学模型。为方便设计控制器,基于一系列假设条件,建立三自由度的USV数学模型。并对所建立的USV模型进行定常直航及定常回转仿真验证,进而证明了所建的USV数学模型的动力性能与操纵性能均能够满足要求,为下文的轨迹跟踪控制器设计的验证,打下了基础。2.完成生物启发模型的建立,并使用反步法设计了轨迹跟踪控制器。介绍了生物启发模型的基本原理及特性,并建立了相应的模型,通过仿真验证,验证了模型在微分替代特性和平滑输出信号的作用。而在...
【文章来源】：哈尔滨工程大学黑龙江省 211工程院校
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
海上猫头鹰（左）幽灵卫士（右）
并研制了相关类型的产品，具体包括：1. X 级无人水面舰艇，非标准级 USV，体积略小，长度只有 3 米。它可搭载在中型舰船上进行部署和接收，多用于军事上支持特种部队作战和海上封锁。“海上猫头鹰”即为美军研制的此类型产品，其船长为 3 米，最快行驶速度 45 节，可以在浅海岸水域实施情报/看守/伺探、反水雷和海上拦截等任务，如图 1.1（左）所示。美国海军将“海上猫头鹰”放置到波斯湾，在海上进行了一连串试航，并参与很多次反水雷作战，呈现了“海上猫头鹰”卓越的性能。另外，“幽灵卫士”和“海虎鱼”无人摩托艇也属于美国海军 X 级无人水面舰艇，如图 1.1（右）与图 1.2（左）所示。图 1.1 海上猫头鹰（左）幽灵卫士（右）
无人驾驶远程捕猎船（AN/WLD-1）是美国海军在 20 世纪 90 年代末期开发的一种浮潜级无人水面舰艇。其长度为 7 米，行驶速度为 10 节， 20~40 小时的电池寿命和 30 英尺的工作深度。AN/WLD-1 驱动由柴油发动机提供，推进功率最高可达 370 马力，其使用成本也很低，因为柴油机的通气管露在水面，无需复杂昂贵的电池组。导航雷达、一次性灭雷具、变深声呐、光电传感器还有信号侦察装置该艇均可负载。美国海军还在此基础上不断进行改进，希望 AN/WLD-1 还能够负载鱼雷与导弹从而执行更难的任务。4. “舰队”级（Fleet）USV 是一艘大型无人水面艇。它具有较长的电池寿命，良好的耐波性，能够承载各种设备工具并执行各种任务。行驶速度为 32~35 节，电池使用寿命超过 48 小时。美国海军设想开发一种舰队级 USV 叫做“蓝色骑士”，作为无人驾驶的高机动性火力部队。根据计划，“蓝色骑士”的长度为 40.4 米，最高行驶速度达 50 节，可以在复杂海况下工作。而且工作模块化，能够依据执行任务的不同，而更换相应的模块与此同时，2010 年美国军方提出的反潜连续跟踪无人艇（ACTUV）也是一种舰队级别的。根据设计标准，反潜连续跟踪无人艇的艇长为 19.1 米、宽 5.8 米、最大航速为 27节，电池可使用 30 天。反潜连续跟踪无人艇能够承载声呐传感器以及其它传感器，不久的将来会成为潜艇的天敌[2]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]国内外无人船发展现状及未来前景[J]. 曹娟,王雪松. 中国船检. 2018(05)
[2]民用无人艇的发展与应用[J]. 郎舒妍. 船舶物资与市场. 2018(02)
[3]美海军无人水面艇发展现状与趋势[J]. 许彪,张宇,范鹏程. 飞航导弹. 2018(01)
[4]未来船舶从有人到无人[J]. 郎舒妍,曾晓光,赵羿羽. 中国船检. 2016(12)
[5]USV发展现状及展望[J]. 柳晨光,初秀民,吴青,王桂冲. 中国造船. 2014(04)
[6]非完全对称欠驱动高速无人艇轨迹跟踪控制[J]. 万磊,董早鹏,李岳明,何斌. 电机与控制学报. 2014(10)
[7]多USV协同系统研究现状与发展概述[J]. 马天宇,杨松林,王涛涛,辛磊,陈燚. 舰船科学技术. 2014(06)
[8]生物启发AUV三维轨迹跟踪控制算法[J]. 朱大奇,张光磊,李蓉. 智能系统学报. 2014(02)
[9]开架水下机器人生物启发离散轨迹跟踪控制[J]. 孙兵,朱大奇,邓志刚. 控制理论与应用. 2013(04)
[10]欠驱动船舶全局K指数航迹跟踪的级联反步法[J]. 朱齐丹,于瑞亭,刘志林. 船舶工程. 2012(01)
博士论文
[1]基于神经动态模型的自治水面艇智能跟踪控制[D]. 潘昌忠.中南大学 2013
[2]欠驱动水面船舶航迹自抗扰控制研究[D]. 李荣辉.大连海事大学 2013
[3]欠驱动水面船舶的全局镇定控制方法研究[D]. 于瑞亭.哈尔滨工程大学 2012
[4]喷水推进水面无人艇的非线性控制方法研究[D]. 曾薄文.哈尔滨工程大学 2012
[5]欠驱动水面船舶非线性反馈控制研究[D]. 卜仁祥.大连海事大学 2008
[6]水面船舶的非线性控制研究[D]. 程金.中国科学院研究生院（自动化研究所） 2007
硕士论文
[1]欠驱动水面航行器高精度航迹跟踪控制研究[D]. 刘忠忠.大连海事大学 2018
[2]受生物启发的欠驱动UUV三维轨迹跟踪反步控制研究[D]. 赵俊鹏.哈尔滨工程大学 2017
本文编号：3093925
【文章来源】：哈尔滨工程大学黑龙江省 211工程院校
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
海上猫头鹰（左）幽灵卫士（右）
并研制了相关类型的产品，具体包括：1. X 级无人水面舰艇，非标准级 USV，体积略小，长度只有 3 米。它可搭载在中型舰船上进行部署和接收，多用于军事上支持特种部队作战和海上封锁。“海上猫头鹰”即为美军研制的此类型产品，其船长为 3 米，最快行驶速度 45 节，可以在浅海岸水域实施情报/看守/伺探、反水雷和海上拦截等任务，如图 1.1（左）所示。美国海军将“海上猫头鹰”放置到波斯湾，在海上进行了一连串试航，并参与很多次反水雷作战，呈现了“海上猫头鹰”卓越的性能。另外，“幽灵卫士”和“海虎鱼”无人摩托艇也属于美国海军 X 级无人水面舰艇，如图 1.1（右）与图 1.2（左）所示。图 1.1 海上猫头鹰（左）幽灵卫士（右）
无人驾驶远程捕猎船（AN/WLD-1）是美国海军在 20 世纪 90 年代末期开发的一种浮潜级无人水面舰艇。其长度为 7 米，行驶速度为 10 节， 20~40 小时的电池寿命和 30 英尺的工作深度。AN/WLD-1 驱动由柴油发动机提供，推进功率最高可达 370 马力，其使用成本也很低，因为柴油机的通气管露在水面，无需复杂昂贵的电池组。导航雷达、一次性灭雷具、变深声呐、光电传感器还有信号侦察装置该艇均可负载。美国海军还在此基础上不断进行改进，希望 AN/WLD-1 还能够负载鱼雷与导弹从而执行更难的任务。4. “舰队”级（Fleet）USV 是一艘大型无人水面艇。它具有较长的电池寿命，良好的耐波性，能够承载各种设备工具并执行各种任务。行驶速度为 32~35 节，电池使用寿命超过 48 小时。美国海军设想开发一种舰队级 USV 叫做“蓝色骑士”，作为无人驾驶的高机动性火力部队。根据计划，“蓝色骑士”的长度为 40.4 米，最高行驶速度达 50 节，可以在复杂海况下工作。而且工作模块化，能够依据执行任务的不同，而更换相应的模块与此同时，2010 年美国军方提出的反潜连续跟踪无人艇（ACTUV）也是一种舰队级别的。根据设计标准，反潜连续跟踪无人艇的艇长为 19.1 米、宽 5.8 米、最大航速为 27节，电池可使用 30 天。反潜连续跟踪无人艇能够承载声呐传感器以及其它传感器，不久的将来会成为潜艇的天敌[2]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]国内外无人船发展现状及未来前景[J]. 曹娟,王雪松. 中国船检. 2018(05)
[2]民用无人艇的发展与应用[J]. 郎舒妍. 船舶物资与市场. 2018(02)
[3]美海军无人水面艇发展现状与趋势[J]. 许彪,张宇,范鹏程. 飞航导弹. 2018(01)
[4]未来船舶从有人到无人[J]. 郎舒妍,曾晓光,赵羿羽. 中国船检. 2016(12)
[5]USV发展现状及展望[J]. 柳晨光,初秀民,吴青,王桂冲. 中国造船. 2014(04)
[6]非完全对称欠驱动高速无人艇轨迹跟踪控制[J]. 万磊,董早鹏,李岳明,何斌. 电机与控制学报. 2014(10)
[7]多USV协同系统研究现状与发展概述[J]. 马天宇,杨松林,王涛涛,辛磊,陈燚. 舰船科学技术. 2014(06)
[8]生物启发AUV三维轨迹跟踪控制算法[J]. 朱大奇,张光磊,李蓉. 智能系统学报. 2014(02)
[9]开架水下机器人生物启发离散轨迹跟踪控制[J]. 孙兵,朱大奇,邓志刚. 控制理论与应用. 2013(04)
[10]欠驱动船舶全局K指数航迹跟踪的级联反步法[J]. 朱齐丹,于瑞亭,刘志林. 船舶工程. 2012(01)
博士论文
[1]基于神经动态模型的自治水面艇智能跟踪控制[D]. 潘昌忠.中南大学 2013
[2]欠驱动水面船舶航迹自抗扰控制研究[D]. 李荣辉.大连海事大学 2013
[3]欠驱动水面船舶的全局镇定控制方法研究[D]. 于瑞亭.哈尔滨工程大学 2012
[4]喷水推进水面无人艇的非线性控制方法研究[D]. 曾薄文.哈尔滨工程大学 2012
[5]欠驱动水面船舶非线性反馈控制研究[D]. 卜仁祥.大连海事大学 2008
[6]水面船舶的非线性控制研究[D]. 程金.中国科学院研究生院（自动化研究所） 2007
硕士论文
[1]欠驱动水面航行器高精度航迹跟踪控制研究[D]. 刘忠忠.大连海事大学 2018
[2]受生物启发的欠驱动UUV三维轨迹跟踪反步控制研究[D]. 赵俊鹏.哈尔滨工程大学 2017
本文编号：3093925
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