无人船路径跟踪滑模控制研究

发布时间：2020-11-05 13:18

　　 随着各国对于无人船及相关技术的发展愈加重视,本文围绕无人船的路径跟踪问题展开深入而具体的研究。所研究的无人船路径跟踪问题不受时间维度的限制,但是研究对象为具有欠驱动性的无人船,为解决欠驱动性给无人船路径跟踪控制系统设计带来的约束,引入视线法(LOS)制导律进行路径导引,并针对无人船的具体情况对制导律进行改进。同时在反步法、滑模控制理论、神经网络等方法的基础上设计跟踪精度良好且性能稳定、鲁棒性强的路径跟踪控制律,以针对性的解决欠驱动无人船路径跟踪研究中存在的模型不确定、输入饱和、外界环境扰动、海流干扰等影响路径跟踪控制精度的问题。本文主要的研究内容和成果如下:(1)首先考虑常值海流扰动对于无人船路径跟踪问题的影响,针对该影响提出改进的LOS制导律(ILOS),该制导律可以减少常值海流扰动给路径跟踪精度带来的负面影响,能够使得无人船位置误差收敛至零。同时考虑无人船模型参数不确定问题,引入非奇异终端滑模控制理论设计路径跟踪控制律,实现了对模型参数不确定问题的有效解决,且避免了对虚拟控制律进行高阶求导的麻烦。随后,采用李雅普诺夫稳定性理论证明了无人船路径跟踪控制机制中误差的收敛性。并基于MATLAB仿真平台对两艘不同的无人船进行仿真,验证了所设计的制导律比传统的制导律有更好的跟踪精度,且消除了常值海流的负面影响;而所设计的控制律比传统的反步法能更快的跟踪上期望路径,且系统状态量的动态和稳态性能更好。(2)考虑了时变未知海流影响下的无人船路径跟踪问题,由于将海流扰动考虑为时变未知的,传统的LOS制导律和ILOS制导律已然不能使得无人船精确的跟踪上所给的期望路径,所以提出了具有积分项得制导律(IAILOS),该制导律能够对时变未知海流扰动进行实时估计并通过所设计的积分项对海流扰动产生的负面影响进行补偿。随后考虑无人船受执行器(舵、桨)影响而产生的输入饱和限制以及时变外界扰动力的多重影响,结合反步法、自适应方法和滑模控制方法设计反步自适应滑模路径跟踪控制律。同时设计补偿系统解决输入饱和问题。设计自适应律估计未知外界扰动力的大小。采用滤波器解决反步法中对虚拟控制律求高阶导数而引起的微分爆炸问题,简化控制器的设计过程。随后证明了所提出的路径跟踪控制机制的稳定性。最后进行的MATLAB仿真验证了所设计的IAILOS制导律在未知时变海流下的路径制导中的明显优势和反步滑模路径跟踪控制律对比其他的路径跟踪控制方法的优点;该方法实现了对期望路径与期望速度的有效跟踪,同时满足了系统最大控制输入幅值限制。(3)在考虑时变海流扰动和输入饱和问题的基础上,针对无人船存在模型参数未知带来的系统动态未知的问题;采用最小学习参数的神经网络技术有效地获取未知动态信息,该方法具有不依赖任何的模型参数信息且只需要训练两个神经网络权值参数的优势。随后提出了神经网络一阶滑模控制方法和神经网络PI滑模控制方法,再结合神经网络和滑模设计输入饱和补偿机制。证明了所设计的两种无人船路径跟踪控制机制的稳定性。通过仿真分析了所提出的两种无人船路径跟踪机制的有效性和优劣性,证明了最小学习参数的神经网络能够有效的估计无人船未知动态。两种控制器均实现了对期望路径和期望速度的有效跟踪且满足了系统输入饱和的限制,但在路径跟踪速度上PI滑模更具有优势。
【学位单位】：大连海事大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：U664.82;TP273
【部分图文】：

?大连海事大学专业学位硕士学位论文???在第二次世界大战期间，美军就将军事武器架设在无人水面艇上，后期无人艇又在美军??的反水雷舰艇系统上进行了应用，而且还可以对战场情况进行有效侦探［１７］。??２００２年，美国海军水下作战中心联合公司开发了一款可进行重新配置的多功能、高??速半自动水面无人快艇一一“斯巴达侦探兵（图１．１），这艘无人艇具有模块化、可??重构、多任务、高速、半自主航行的特色［１８】，该艇可在战场上执行海洋环境侦查监测、??海洋目标精确打击、反潜等不同的军事使命［５】，以提高美军的海上防御能力［１７］。??图ｉ．ｉ斯巴达侦探兵??Ｆｉｇ．?１．１?Ｓｐａｒｔａｎ?Ｓｃｏｕｔ?Ｕｓｖ??美国海军还建造了一艘命名为“猫头鹰”的无人艇，该艇体型轻巧且耐力出众，可以??承担雷区侦察、浅海监视、海上拦截和保护港口码头周边安全等任务；该艇在距离控制??站１０海里范围以内能够将探测到的信息通过无线电设备实时传回控制站，ＮａｖｔｅｃＩｎｃ公??司后续在此基础上又研制出“猫头鹰ＭＫＩＩ”号无人艇［火这两艘无人艇的实物图如图１．２。??图１．２海上猫头鹰号、海上猫头鹰二号??Ｆｉｇ．?１．２?Ｏｗｌ?ｄｒｏｎｅ、Ｏｗｌ?ｄｒｏｎｅｌｌ??－３－??

?无人船路径跟踪滑模控制研究???ｙｉＪＬｉｙＬｉ＾ｕｙ＾??咖?＿＂．，？??图１．３幽灵卫士??Ｆｉｇ．?１．３?Ｇｈｏｓｔ?Ｇｕａｒｄ??美国机器人船舶公司也进行了相关领域的研究制造，该公司研发了一款名为“幽灵??卫士”（图１．３）的无人艇，这款无人艇兼具海洋环境监测、海洋警戒防护等任务［１９］。??与此同时，美国海军机器人舰船国际公司（Ｎａｖａｌ?Ｒｏｂｏｔ?Ｖｅｈｉｃｌｅ?Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ??ＣｏｒｐｏｒａｔｋＨｉ）与ＡＡＩ公司等军工企业联合研发一款名为“拦截者”的无人艇，该艇配置了??多种传感器以便于对无人艇航行环境和其他船只进行检测，“拦截者”号采用了模块化设??计，能够根据所执行任务的不同将功能同的模块进行组合［１９＃］。??位于美国加利福尼亚州的ＵＯＶ公司研发了一款具有侧扫声呐和摄像功能的无人艇??——Ｏｗｌ?ＭＫＩＩ?（图１．４），该艇为喷水推进器，以太阳能、风能、回收动力能作为能源，??应用于海上数据收集、测量等方面，其优点是良好的隐蔽性和配重能力［岡。??ｗＯｗｌ?ＭＫ?丨＿＂号?＂Ｐｒｏｔｅｃｔｏｒ＂号??图丨．４?Ｏｗｌ?ＭＫＩＩ?号?图?１．５?Ｐｒｏｔｅｃｔｏｒ?号??Ｆｉｇ．?１．４?Ｏｗｌ?ＭＫＩＩ?Ｆｉｇ．?１．５?Ｐｒｏｔｅｃｔｏｒ??以色列拉法尔公司和以色列航空防务系统公司于２００３年联合研发了?Ｐｒｏｔｅｃｔｏｒ号??（图１．５）无人船，该船能够执行诸多的军事任务，例如：火力掩护、反恐作战、侦察情??报、反潜、电子战等［８，２｜？］。??继“Ｐｒｏｔｅｃｔｏｒ”后，以色列的埃尔比特系统公司还研制出了具备多种功能的第二代无??－４?－??

?大连海事大学专业学位硕士学位论文?．??年在央视春晚上由无人船、无人机、无人车给观众们带来了震撼的展演，多艘无人船以??“瞭望者”号无人艇为首在珠江的海面上整齐的驶过，让观众看到了国内无人船技术的快??速发展［１８］。无人船集智能化、集成化、无人化于一体。目前国内主要将无人船应用于水??下地形勘测、海洋环境监测、灾害应急服务等方面。主要的研究成果集中在国内企业、??科研院所和高等学校，主要包括：沈阳自动化所、中国航天科工集团沈阳新光公司、珠??海云洲智能有限公司、大连海事大学、华中科技大学、哈尔滨工程大学、上海大学、上??海海事大学等。??在２００６年，新光公司提出了?ＸＧ－２概念性无人船，该船通过卫星通讯获取和传递信??息，借助于此，该船能够执行救援、沿海巡逻等任务［１］。两年后，该公司又研制出名为“天??象一号”的无人船（图１．１２），这是中国第一艘可用于工程实践的海上无人探测船，该船??在２００８年在北京奥运会期间提供水上应急气象保障，其具有人工驾驶和自动驾驶两种??模式［５—６］。??图１．１２天象一号??Ｆｉｇ．?１．１２?Ｔｉａｎ?Ｘｉａｎｇ??上海海事大学的无人艇研宄院研制了“精海”系列无人船（图１．１３）和“Ｓｉｌｖｅｒｆｉｏｇ”号??双体无人船（图１．１４），精海１号曾完成过对南海诸岛礁以及南极海域的测量和检测任??务［２９］，而ＳｉＷｅｒＦｒｏｇ号能够承担海事搜救、水文测量、海洋环境监视等任务，该团队更??多的提供水面无人平台［６］，针对无人船的不同需求性能提供不同的解决策略。??－７－??
【参考文献】

相关期刊论文 前7条

1 王耀禄;郭晨;;欠驱动船舶RBF神经网络路径自适应跟踪控制[J];大连海事大学学报;2015年01期

2 廖煜雷;张铭钧;董早鹏;刘鹏;;无人艇运动控制方法的回顾与展望[J];中国造船;2014年04期

3 马天宇;杨松林;王涛涛;辛磊;陈燚;;多USV协同系统研究现状与发展概述[J];舰船科学技术;2014年06期

4 严汝建;庞硕;孙寒冰;庞永杰;;水面无人船的发展与使命(英文)[J];Journal of Marine Science and Application;2010年04期

5 郭晨;汪洋;孙富春;沈智鹏;;欠驱动水面船舶运动控制研究综述[J];控制与决策;2009年03期

6 刘金琨;孙富春;;滑模变结构控制理论及其算法研究与进展[J];控制理论与应用;2007年03期

7 徐玉如;苏玉民;庞永杰;;海洋空间智能无人运载器技术发展展望[J];中国舰船研究;2006年03期

相关博士学位论文 前10条

1 马俊达;自主水面船编队控制研究[D];哈尔滨工程大学;2018年

2 秦梓荷;水面无人艇运动控制及集群协调规划方法研究[D];哈尔滨工程大学;2018年

3 刘陆;欠驱动无人船的路径跟踪与协同控制[D];大连海事大学;2018年

4 柳晨光;基于预测控制的无人船运动控制方法研究[D];武汉理工大学;2017年

5 于浩淼;非线性因素约束下欠驱动UUV轨迹跟踪控制方法研究[D];哈尔滨工程大学;2016年

6 刘程;船舶路径跟踪与减横摇综合控制研究[D];上海交通大学;2015年

7 王昊;基于自适应动态面控制的自主海洋航行器协同路径跟踪[D];大连海事大学;2014年

8 王岩;欠驱动船舶运动的非线性鲁棒控制研究[D];哈尔滨工程大学;2013年

9 于瑞亭;欠驱动水面船舶的全局镇定控制方法研究[D];哈尔滨工程大学;2012年

10 贾鹤鸣;基于反步法的欠驱动UUV空间目标跟踪非线性控制方法研究[D];哈尔滨工程大学;2012年

相关硕士学位论文 前7条

1 康钊;无人系统保障船运动轨迹控制研究[D];哈尔滨工程大学;2018年

2 朱丽红;带有时变惯性阵无人艇的路径跟踪[D];哈尔滨工程大学;2018年

3 曲星儒;海流干扰下欠驱动AUV航迹跟踪控制研究[D];大连海事大学;2018年

4 周利;基于扰动补偿的无人艇路径跟踪控制算法研究[D];哈尔滨工程大学;2018年

5 林玉龙;复杂海洋环境中的无人船自主扫海路径规划研究[D];哈尔滨工程大学;2017年

6 邹剑;船舶航向动态滑模变结构控制研究[D];重庆大学;2012年

7 王勇;欠驱动船舶航迹跟踪控制技术研究[D];哈尔滨工程大学;2011年

本文编号：2871687