欠驱动水面无人艇的路径规划及轨迹跟踪控制研究
发布时间：2021-10-16 08:46
无人艇因其尺寸小、吃水浅和功能多样等特点,被广泛用在内河和近海场景执行无人任务,例如水质采样、岛礁测绘等。本文以课题组的“精海8-b”无人艇为研究对象,对无人艇的路径点跟踪任务进行了研究。针对无人艇在急转弯等极端场景存在的跟踪误差大、误差收敛缓慢等问题,提出了基于LOS（Line-ofSight）制导与广义预测控制（generalized predictive control,GPC）的路径规划方法和基于滑模控制（sliding mode control,SMC）的轨迹跟踪方法,并将两种方法结合提出LOS-GPC-SMC控制策略,实现了无人艇的路径点跟踪控制。在此基础上,开展了编队控制研究,采用跟随者独立控制的方法,通过编队控制运动学将编队控制问题转化为轨迹跟踪问题,最终实现了领航者-跟随者的编队控制。本文的主要研究内容如下:在无人艇运动建模方面,为了简化控制难度,在考虑外界干扰的情况下,建立了只考虑船纵荡、横荡和艏摇三个方向的运动的无人艇水动力模型。为了使后续生成的虚拟轨迹中包含船体的机动性能约束,建立了“精海8-b”无人艇的Nomoto模型。此外,因为“精海8-b”无人艇采用的是双...
【文章来源】：上海大学上海市 211工程院校
【文章页数】：90 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
“精海8-b”无人艇六自由度运动模型
的 Nomoto 模型生成虚拟轨迹即可。这里直接给出由团队师兄通过辨识得出的“精海 8-b”无人艇的 Nomoto 一阶线性模型参数： K=0.1555,T=0.2214 。可得出“精海 8-b”无人艇的 Nomoto 模型为： 0.2214r r 0.1555 (2-12) 2.2.3 “精海 8-b”无人艇的驱动力变换 “精海 8-b”无人艇是一艘小型电推无人艇，并且采用的是双螺旋桨驱动，其推进系统表示为下图:
上海大学硕士学位论文19较好的跟踪效果[3][54]。LOS制导中通常需要选取三个点，以船舶中的制导为例，第一个点通常是路径起始点，记为,kkkPxy，第二个点是船舶自身的坐标点，记为tttPx,y，第三个点通常是下一个路径点，记为111,kkkPxy。船舶切入期望路径的点选取为kP到k1P中间的一个点，记为intintintPx,y，常见的intP选取方式有三种：方法○1将下一个目标跟踪点k1P作为船舶切入路径点，即intk1PP；方法○2根据船舶距离期望轨迹的横向误差e与沿轨迹的纵向距离计算得出intP的位置，nL（L表示船长）。因为方法○1在跟踪时容易出现较大的横向误差，方法○2在横向距离较大时可能无法收敛到期望，所以常用的是方法○3，表示如下图所示：图3.1LOS制导示意图图3.1中kP与k1P为期望路径点，两者之间的连线通常被设计为期望路径，图中的e表示船对期望轨迹的横向误差。设定一个圆，将圆与kPk1P线段的交点处记为intP，圆的半径为rnL（L表示船长），圆心为船体坐标系的原点,kkkPxy。图中LOS为所求期望艏向角，船舶接下来只需要跟踪LOS即可实现目标路径点的跟踪。要求出期望艏向角LOS，得先求出路径点intintintPx,y的坐标：222intintttxxyyr(3-1)int1int1tkktkkyyyyxxxx(3-2)接下来可求得期望艏向角LOS：
【参考文献】：
期刊论文
[1]水面无人艇路径规划研究综述[J]. 陈华,张新宇,姜长锋,徐国瑞. 世界海运. 2015(11)
[2]无人艇运动控制方法的回顾与展望[J]. 廖煜雷,张铭钧,董早鹏,刘鹏. 中国造船. 2014(04)
[3]欠驱动船舶简捷鲁棒自适应路径跟踪控制[J]. 张国庆,张显库,关巍. 哈尔滨工程大学学报. 2014(09)
[4]风浪流干扰及参数不确定欠驱动船舶航迹跟踪的滑模鲁棒控制[J]. 朱齐丹,于瑞亭,夏桂华,刘志林. 控制理论与应用. 2012(07)
[5]欠驱动船舶直线航迹的滑模控制方法[J]. 廖煜雷,万磊. 应用科技. 2011(11)
[6]路径规划算法及其应用综述[J]. 张广林,胡小梅,柴剑飞,赵磊,俞涛. 现代机械. 2011(05)
[7]欠驱动无人艇轨迹跟踪的滑模控制方法[J]. 廖煜雷,庄佳园,李晔,庞永杰. 应用科学学报. 2011(04)
[8]欠驱动水面船舶运动控制研究综述[J]. 郭晨,汪洋,孙富春,沈智鹏. 控制与决策. 2009(03)
[9]基于神经网络和粒子群算法的移动机器人路径规划[J]. 姜明洋,胡玉兰. 沈阳理工大学学报. 2007(06)
[10]基于动态非线性滑动模态的欠驱动船舶直线航迹控制[J]. 卜仁祥,刘正江,胡江强. 清华大学学报(自然科学版). 2007(S2)
博士论文
[1]基于预测控制的无人船运动控制方法研究[D]. 柳晨光.武汉理工大学 2017
[2]无人艇操纵性与智能控制技术研究[D]. 吴恭兴.哈尔滨工程大学 2011
[3]基于支持向量机方法的船舶操纵运动建模研究[D]. 罗伟林.上海交通大学 2009
[4]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
硕士论文
[1]基于A*算法的移动机器人路径规划[D]. 王淼弛.沈阳工业大学 2017
[2]基于改进粒子群算法的水下滑翔机路径规划研究[D]. 邹静.吉林大学 2017
[3]基于滑模的欠驱动水面船舶编队控制[D]. 邱小璐.大连海事大学 2016
[4]无人艇运动模糊控制技术研究[D]. 董早鹏.哈尔滨工程大学 2013
[5]欠驱动水面无人艇的航迹跟踪控制研究[D]. 胡云艳.哈尔滨工程大学 2011
[6]时滞不确定系统的变结构控制及抖振问题的研究[D]. 罗大徐.合肥工业大学 2007
本文编号：3439506
【文章来源】：上海大学上海市 211工程院校
【文章页数】：90 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
“精海8-b”无人艇六自由度运动模型
的 Nomoto 模型生成虚拟轨迹即可。这里直接给出由团队师兄通过辨识得出的“精海 8-b”无人艇的 Nomoto 一阶线性模型参数： K=0.1555,T=0.2214 。可得出“精海 8-b”无人艇的 Nomoto 模型为： 0.2214r r 0.1555 (2-12) 2.2.3 “精海 8-b”无人艇的驱动力变换 “精海 8-b”无人艇是一艘小型电推无人艇，并且采用的是双螺旋桨驱动，其推进系统表示为下图:
上海大学硕士学位论文19较好的跟踪效果[3][54]。LOS制导中通常需要选取三个点，以船舶中的制导为例，第一个点通常是路径起始点，记为,kkkPxy，第二个点是船舶自身的坐标点，记为tttPx,y，第三个点通常是下一个路径点，记为111,kkkPxy。船舶切入期望路径的点选取为kP到k1P中间的一个点，记为intintintPx,y，常见的intP选取方式有三种：方法○1将下一个目标跟踪点k1P作为船舶切入路径点，即intk1PP；方法○2根据船舶距离期望轨迹的横向误差e与沿轨迹的纵向距离计算得出intP的位置，nL（L表示船长）。因为方法○1在跟踪时容易出现较大的横向误差，方法○2在横向距离较大时可能无法收敛到期望，所以常用的是方法○3，表示如下图所示：图3.1LOS制导示意图图3.1中kP与k1P为期望路径点，两者之间的连线通常被设计为期望路径，图中的e表示船对期望轨迹的横向误差。设定一个圆，将圆与kPk1P线段的交点处记为intP，圆的半径为rnL（L表示船长），圆心为船体坐标系的原点,kkkPxy。图中LOS为所求期望艏向角，船舶接下来只需要跟踪LOS即可实现目标路径点的跟踪。要求出期望艏向角LOS，得先求出路径点intintintPx,y的坐标：222intintttxxyyr(3-1)int1int1tkktkkyyyyxxxx(3-2)接下来可求得期望艏向角LOS：
【参考文献】：
期刊论文
[1]水面无人艇路径规划研究综述[J]. 陈华,张新宇,姜长锋,徐国瑞. 世界海运. 2015(11)
[2]无人艇运动控制方法的回顾与展望[J]. 廖煜雷,张铭钧,董早鹏,刘鹏. 中国造船. 2014(04)
[3]欠驱动船舶简捷鲁棒自适应路径跟踪控制[J]. 张国庆,张显库,关巍. 哈尔滨工程大学学报. 2014(09)
[4]风浪流干扰及参数不确定欠驱动船舶航迹跟踪的滑模鲁棒控制[J]. 朱齐丹,于瑞亭,夏桂华,刘志林. 控制理论与应用. 2012(07)
[5]欠驱动船舶直线航迹的滑模控制方法[J]. 廖煜雷,万磊. 应用科技. 2011(11)
[6]路径规划算法及其应用综述[J]. 张广林,胡小梅,柴剑飞,赵磊,俞涛. 现代机械. 2011(05)
[7]欠驱动无人艇轨迹跟踪的滑模控制方法[J]. 廖煜雷,庄佳园,李晔,庞永杰. 应用科学学报. 2011(04)
[8]欠驱动水面船舶运动控制研究综述[J]. 郭晨,汪洋,孙富春,沈智鹏. 控制与决策. 2009(03)
[9]基于神经网络和粒子群算法的移动机器人路径规划[J]. 姜明洋,胡玉兰. 沈阳理工大学学报. 2007(06)
[10]基于动态非线性滑动模态的欠驱动船舶直线航迹控制[J]. 卜仁祥,刘正江,胡江强. 清华大学学报(自然科学版). 2007(S2)
博士论文
[1]基于预测控制的无人船运动控制方法研究[D]. 柳晨光.武汉理工大学 2017
[2]无人艇操纵性与智能控制技术研究[D]. 吴恭兴.哈尔滨工程大学 2011
[3]基于支持向量机方法的船舶操纵运动建模研究[D]. 罗伟林.上海交通大学 2009
[4]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
硕士论文
[1]基于A*算法的移动机器人路径规划[D]. 王淼弛.沈阳工业大学 2017
[2]基于改进粒子群算法的水下滑翔机路径规划研究[D]. 邹静.吉林大学 2017
[3]基于滑模的欠驱动水面船舶编队控制[D]. 邱小璐.大连海事大学 2016
[4]无人艇运动模糊控制技术研究[D]. 董早鹏.哈尔滨工程大学 2013
[5]欠驱动水面无人艇的航迹跟踪控制研究[D]. 胡云艳.哈尔滨工程大学 2011
[6]时滞不确定系统的变结构控制及抖振问题的研究[D]. 罗大徐.合肥工业大学 2007
本文编号：3439506
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