无人水面艇直线路径跟踪控制器的设计与实现

发布时间：2017-08-02 22:26

  本文关键词：无人水面艇直线路径跟踪控制器的设计与实现

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【摘要】：无人水面艇作为一种监测海洋环境、维护海洋权益和现代化军事作战的装备,具有广泛的应用前景,已成为了国内外智能化海洋装备的研究热点之一。在复杂多变的海洋环境中,能够自主的精确和快速跟踪期望的航迹路径是保证无人水面艇的安全航行和顺利完成指定任务的前提和基础,也是无人水面艇智能控制技术中自主运动控制研究的重点内容之一。因此,为了实现无人水面艇航迹的精确和快速的跟踪控制,本文将大连海事大学"蓝信"号无人水面艇作为研究对象,针对其直线路径跟踪问题分别进行了直接航迹跟踪控制的仿真研究和间接航迹跟踪控制器的设计与验证工作,主要内容分为以下几部分:首先,建立了无人艇的线性数学模型与非线性数学模型,根据实船操纵运动的实验数据对模型参数进行了辨识。在此基础上,设计了模糊自适应PID航向控制器,给出了模糊整定规则和控制参数,实现了控制的参数在线自整定,并在风、浪、流等干扰的情况下进行了航向跟踪控制的仿真。仿真结果表明,模糊自适应PID航向跟踪控制器具有良好的自适应性能。其次,在对间接航迹跟踪控制方法的研究中,将Line-Of-Sight(LOS)制导算法与模糊自适应PID航向跟踪控制相结合,设计了一种基于LOS制导算法的无人水面艇直线路径跟踪控制器,仿真结果表明了该方法的有效性和可行性,可以应用于"蓝信"号无人水面艇的直线路径跟踪控制器的设计;在对直接航迹跟踪控制方法的研究中,利用反步法(Backstepping),在考虑了无人水面艇舵机特性情况下,设计了一种包含舵机模型的无人水面艇直接航迹跟踪控制器,仿真结果表明了该控制器的直线航迹跟踪控制精度较高,响应较快,可为"蓝信"号无人水面艇直接航迹跟踪控制的研究提供参考。最后,将设计的基于LOS制导算法的无人水面艇直线路径跟踪控制器应用到"蓝信"号无人水面艇航迹跟踪控制中。海上实船实验结果表明了该方法在实际海洋环境下的可行性和有效性,而且参数调节容易、控制精度高。
【关键词】：无人水面艇 直线路径跟踪 模糊自适应PID LOS制导算法 反步法
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U664.82;TP273
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-15
• 1.1 研究背景和意义10
• 1.2 直线航迹跟踪控制的发展与研究现状10-13
• 1.3 主要工作和研究内容13-15
• 第2章 无人艇建模及航向控制15-32
• 2.1 无人艇数学模型的建立15-25
• 2.1.1 无人艇线性数学模型的建立15-20
• 2.1.2 无人艇非线性数学模型的建立20-23
• 2.1.3 无人艇运动的干扰模型23-25
• 2.2 航向跟踪控制器的设计与仿真25-31
• 2.2.1 模糊PID航向跟踪控制器的设计25-29
• 2.2.2 航向跟踪控制的仿真结果及分析29-31
• 2.3 本章小结31-32
• 第3章 基于LOS制导律的路径跟踪控制32-50
• 3.1 跟踪路径的描述32-34
• 3.1.1 路径点表示法32-33
• 3.1.2 运用直线和圆弧生成路径33-34
• 3.2 LOS制导控制算法34-43
• 3.2.1 虚拟控制点及超前距离的构造36-41
• 3.2.2 路径跟踪控制41-42
• 3.2.3 路径段的更新42-43
• 3.3 基于LOS制导律的直线路径跟踪控制仿真43-49
• 3.3.1 控制器的设计与仿真43-44
• 3.3.2 仿真结果及分析44-49
• 3.4 本章小结49-50
• 第4章 基于反步法的直线路径跟踪控制50-66
• 4.1 稳定性理论基础50-52
• 4.1.1 稳定性的一般概念50
• 4.1.2 Lyapunov稳定性理论50-52
• 4.2 反步法的设计方法52-55
• 4.3 基于反步法的直线路径跟踪控制器设计55-60
• 4.4 基于反步法的直接航迹控制仿真及结果分析60-65
• 4.5 本章小结65-66
• 第5章 蓝信号USV直线路径跟踪控制的验证66-73
• 5.1 直线路径控制实验描述66-69
• 5.2 海上实船验证及结果分析69-72
• 5.3 本章小结72-73
• 第6章 总结与展望73-74
• 6.1 总结73
• 6.2 存在的问题和改进73
• 6.3 展望73-74
• 参考文献74-77
• 致谢77

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：611542