基于数据挖掘的水面无人艇建模及航向控制研究

发布时间：2017-08-31 11:13

  本文关键词：基于数据挖掘的水面无人艇建模及航向控制研究

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【摘要】：无人艇运动系统建模及其航向控制是无人艇进行自主航行的核心技术。有效的运动控制系统对提高侦察设备观测效果、武器装备系统精度都是十分重要的。由于无人艇运动系统所固有的非线性及不确定特征,采用传统的数学建模与航向控制方法难以达到满意的系统性能要求。在无人艇建模方面,无论是水动力模型还是响应模型,其关键都是依照固有的模型框架精确确定船舶动态特性参数。由于受到固有模型框架的限制和约束,时常会生成与实际情况不相匹配的模型。在无人艇控制方面,由于受到风、浪、流及其他外界干扰的影响,无人艇运动具有很强的随机性和非线性,传统控制手段难以达到快速精确的控制效果。 针对以上问题,本文不但基于数据挖掘技术和模糊推理系统进行了无人艇运动系统的建模,而且将该辨识结果运用于无人艇航向的前馈补偿比例微分控制器设计中,并运用李雅普诺夫稳定性分析证明了闭环系统跟踪误差的有界性。基于数据挖掘的模糊建模方法是一种数据驱动方法,它无须考虑无人艇的运行机理及流体动力等因素,能够直接依据舵角和航向的采样数据生成模糊规则,建立无人艇运动系统模型。而基于模糊辨识的前馈补偿控制方法,在控制过程中利用李雅普诺夫稳定性理论对模糊规则进行实时调整,增强了非线性项的控制能力。对比传统的PID航向控制算法,仿真结果验证了该前馈补偿控制算法的快速性和有效性。 最后,本文将MATLAB作为以上内容实现的平台,并且用GUI工具为各个功能的实现提供一个可视化的整合平台。具体功能包括：各无人艇操纵系数计算,利用采样数据进行无人艇运动模型辨识,对无人艇运动模型进行PID航向控制,以及基于模糊辨识进行船舶航向的补偿控制。
【关键词】：水面无人艇 航向控制 模糊推理系统 数据挖掘
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U675.7;U674.77
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 水面无人艇的研究背景和意义10-11
• 1.1.1 水面无人艇的研究背景和意义10
• 1.1.2 建立水面无人艇数学模型的背景和意义10-11
• 1.1.3 水面无人艇航向控制的的研究意义11
• 1.2 国内外水面无人艇的研究现状及面临课题11-14
• 1.2.1 国内外水面无人艇的研究成果11-13
• 1.2.2 水面无人艇数学模型建立与航向控制的研究现状13-14
• 1.3 本文的研究内容14-16
• 第2章 数据挖掘模糊建模理论16-32
• 2.1 模糊推理系统16-17
• 2.2 数据挖掘模糊建模的关键问题——模糊规则提取17-18
• 2.3 提取指定规则18-20
• 2.4 提取完备模糊规则库20-24
• 2.4.1 提取数据覆盖区域的规则20-23
• 2.4.2 推测数据未覆盖区域的规则23-24
• 2.5 建立模糊预测模型24-32
• 第3章 水面无人艇操纵系统模糊建模32-44
• 3.1 传统船舶建模32-39
• 3.1.1 船舶操纵特性32-35
• 3.1.2 线性船舶数学模型与非线性船舶数学模型35-37
• 3.1.3 响应型船舶数学模型37-38
• 3.1.4 基于支持向量机方法的船舶操纵性运动建模38-39
• 3.2 船舶操纵系统模糊建模39-43
• 3.3 本章小结43-44
• 第4章 无人艇航迹控制44-59
• 4.1 无人艇航向控制原理44-46
• 4.2 PID航向控制46-50
• 4.2.1 PID控制理论介绍46-47
• 4.2.2 水面无人艇航向PID控制47-49
• 4.2.3 水面无人艇航向PID控制仿真49-50
• 4.3 水面无人艇航向非线性补偿控制50-57
• 4.3.1 水面无人艇航向非线性补偿控制原理50-52
• 4.3.2 水面无人艇航向非线性补偿控制仿真52-54
• 4.3.3 非线性模糊辨识规则调整及李雅普诺夫稳定性分析54-57
• 4.4 本章小结57-59
• 第5章 无人艇试验平台软件开发59-67
• 5.1 MATLAB GUI简介59-61
• 5.2 仿真平台开发61
• 5.3 主控制界面61-63
• 5.4 模型计算界面63-64
• 5.5 非线性模糊辨识界面及仿真界面64-66
• 5.6 本章小结66-67
• 结论67-68
• 参考文献68-71
• 致谢71

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 杨盐生,于晓利,贾欣乐;船舶航向鲁棒PID自动舵设计[J];大连海事大学学报;1999年04期

2 陶永华;新型 PID 控制及其应用──第一讲　PID 控制原理和自整定策略[J];工业仪表与自动化装置;1997年04期

中国博士学位论文全文数据库 前3条

1 罗伟林;基于支持向量机方法的船舶操纵运动建模研究[D];上海交通大学;2009年

2 廖煜雷;无人艇的非线性运动控制方法研究[D];哈尔滨工程大学;2012年

3 白一鸣;基于数据挖掘技术的模糊推理系统设计[D];大连海事大学;2013年

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本文编号：765254