基于轨迹线性化的无人水面艇航行控制
发布时间：2022-01-24 00:58
无人水面艇是一种依靠艇载传感器实现自主航行的智能化小型水面平台。作为无人系统的重要组成部分,无人水面艇的研究对于国家海洋事业的发展以及海洋权益的维护至关重要。为了确保无人水面艇能够搭载不同任务荷载以顺利完成各项任务,无人水面艇需具备快速准确的航向、航迹控制性能以及较强的抗干扰能力。本文以“蓝信”号无人水面艇为研究对象,考虑到未建模动态以及风、浪、流等外界干扰对其运动的影响,进行了航向与航迹控制器的设计与验证工作。具体的研究内容如下所示:首先,本文建立了“蓝信”号无人水面艇的线性数学模型、非线性数学模型以及艉机模型,为航向以及航迹控制器的分析与设计奠定了基础。考虑到风、浪、流等外界干扰会对无人水面艇的运动产生影响,故又建立了干扰数学模型。针对无人水面艇航向控制问题,本文在轨迹线性化控制算法的基础上引入非线性干扰观测器,设计了基于非线性干扰观测器的快慢回路时标分离的轨迹线性化航向控制器并利用Lyapunov理论给出了相应的稳定性分析。为了避免传统轨迹线性化控制算法利用一阶惯性环节及伪微分器求取微分信号时可能出现的峰值现象,本文利用二阶最速离散跟踪微分器为指令信号及其微分信号安排了合理的过渡...
【文章来源】：大连海事大学辽宁省 211工程院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
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【参考文献】：
期刊论文
[1]无人水面艇研究现状与发展趋势[J]. 彭艳,葛磊,李小毛,钟雨轩,张鑫. 上海大学学报(自然科学版). 2019(05)
[2]基于事件触发的船舶航向自适应控制研究[J]. 王薇,罗云霞,蔡建平. 火力与指挥控制. 2019(09)
[3]船舶航向模糊控制器优化设计及仿真[J]. 甘浪雄,邓巍,周春辉,程小东. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版). 2019(03)
[4]船舶航向非线性离散系统自适应模糊最优控制[J]. 朱丽燕,李铁山,单麒赫. 哈尔滨工程大学学报. 2019(09)
[5]无人水面艇发展趋势及关键技术[J]. 王舟,钱昌安,梁明泽,何冉,刘晓龙,沈海龙. 飞航导弹. 2018(11)
[6]欠驱动无人艇自适应滑模航迹跟踪控制[J]. 陈霄,周德超,刘忠,张建强,王潋. 国防科技大学学报. 2018(03)
[7]基于多种群遗传算法的水面无人艇航迹控制方法[J]. 毕校伟,程向红. 测控技术. 2018(04)
[8]基于模糊控制的无人水面艇航迹跟踪控制[J]. 梅爱寒,李宝安,张法帅. 计测技术. 2018(01)
[9]基于线性自抗扰控制的船舶航迹积分滑模控制器[J]. 邱峰,李伟,宁君. 上海海事大学学报. 2017(03)
[10]基于自适应专家S面算法的微小型USV控制系统设计[J]. 董早鹏,万磊,宋利飞,茅云生. 中国造船. 2017(02)
博士论文
[1]再入飞行器制导与控制方法研究[D]. 王林林.北京理工大学 2016
[2]再入飞行器动力学特性分析与控制方法研究[D]. 王亚飞.北京理工大学 2015
[3]基于轨迹线性化方法的近空间飞行器鲁棒自适应控制研究[D]. 薛雅丽.南京航空航天大学 2010
[4]空天飞行器不确定非线性鲁棒自适应控制[D]. 朱亮.南京航空航天大学 2006
硕士论文
[1]无人船建模及路径跟踪控制[D]. 王艳.浙江大学 2019
[2]基于Beaglebone Black的轮式倒立摆机器人的轨迹线性化控制[D]. 陈育.大连海事大学 2017
[3]无人水面艇实时路径规划系统研究[D]. 孙晓界.大连海事大学 2016
[4]航天器姿态控制干扰抑制及振动隔离问题研究[D]. 马晶晶.哈尔滨工业大学 2015
[5]PID控制器确定性性能评价研究[D]. 于明莉.大连理工大学 2015
[6]基于轨迹线性化的大攻角飞行导弹控制系统设计研究[D]. 韩菲.哈尔滨工程大学 2014
本文编号：3605511
【文章来源】：大连海事大学辽宁省 211工程院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．１运动坐标系?－??Ｆｉｇ．?２．１?Ｍｏｔｉｏｎ?ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ?ｓｙｓｔｅｍ??
?人连海事大学硕士学位论文???角及艏摇角。〇－ｘ＿ｙｚ则表示附体坐标系。其中，〇同样表示原点，该点为无人水面艇的??质点，Ｘ和ｙ则分别指示艇艏及右般方向，Ｚ同样指示地心方向，Ｗ、Ｖ、Ｗ分别表示前??进、横漂以及起伏速度，／？、？、ｒ则分别表示横尧纵摇以及艏摇角速度。??在对无人水面艇的运动进行研究时，通常只需要考虑其前进、横漂以及艏摇运动，??故其运动问题可看作３自由度的平齒运动问题。平面运动示意图如图２．２所示。??个??Ｘ??０?＇?Ｙ??图２．?２平面运动示意图??Ｆｉｇ．?２．２?Ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｐｌａｎｅ?ｍｏｔｉｏｎ??图中，ｙ表示艏向角，ｓ表示推力角，ｆ表示运动速度。??无人水面艇的平移运动可用式（Ｚ１）所示的方程表示：??｛ｍ（ｕ?－?ｒｖ—ｘｒｒ￣）?＝?Ｘ??ｖ?Ｇ?（２．１）??ｍ（ｖ?＋?ｒｕ＋ｘＧｒ）?＝?Ｙ??式中，ｍ表示无人水面艇的质量，＆表示质点在ｘ轴的坐标，Ｘ、ｒ则分别表示ｘ、??ｙ方向上作用于无人水面艇的水动力。??无人水面艇的旋转运动可用式（２．２）所示的方程表示：??ｌｚｊ?＋?ｍｘＧ?（ｖ?＋?ｒｕ）?＝?Ｎ?（２．２）??式中，厶表示无人水面艇相对于ｚ轴的转动惯量则表示Ｚ方向上作用于无人水??面艇的水动力矩。??由于无人水面艇运动及操舵引起的水动力和水动力矩可以通过当前时刻的运动参??数ｗ、ｖ、ｒ、ｉｉ、／■以及推力角角定，它们之间的关系满足：??－７－??
＊，??Ｖ??１?／、！??６０?■?Ｙ?■?。２５?／?＼＼??ｇ?５０?．?／?Ｉ?２０?＇?／?＼?■??４０?■?／?＊１５．／?Ｉ?－??３０?／?／?ｉ＼??／?１０?ｉ＼?．??２０?／?？?；?ｉ?＼??－■／?５ｉ＇??＿．?．?＿＿，?，??〇ｉ——‘、、－一——，————??０?５?１０?１５?２０?２５?３０?０?５?１０?１５?２０?２５?３０??时间／ｓ?时间／ｓ??图３．?３航向保持（无不确定因素）??Ｆｉｇ．?３．３?Ｃｏｕｒｓｅ?ｋｅｅｐｉｎｇ?ｗｉｔｈｏｕｔ?ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｉｅｓ??为了定量描述两种控制算法的控制性能，表３．１列出了?ＰＩＤ以及ＴＬＣ算法的超调量??和±５％条件下的调节时间。??－２６－??
【参考文献】：
期刊论文
[1]无人水面艇研究现状与发展趋势[J]. 彭艳,葛磊,李小毛,钟雨轩,张鑫. 上海大学学报(自然科学版). 2019(05)
[2]基于事件触发的船舶航向自适应控制研究[J]. 王薇,罗云霞,蔡建平. 火力与指挥控制. 2019(09)
[3]船舶航向模糊控制器优化设计及仿真[J]. 甘浪雄,邓巍,周春辉,程小东. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版). 2019(03)
[4]船舶航向非线性离散系统自适应模糊最优控制[J]. 朱丽燕,李铁山,单麒赫. 哈尔滨工程大学学报. 2019(09)
[5]无人水面艇发展趋势及关键技术[J]. 王舟,钱昌安,梁明泽,何冉,刘晓龙,沈海龙. 飞航导弹. 2018(11)
[6]欠驱动无人艇自适应滑模航迹跟踪控制[J]. 陈霄,周德超,刘忠,张建强,王潋. 国防科技大学学报. 2018(03)
[7]基于多种群遗传算法的水面无人艇航迹控制方法[J]. 毕校伟,程向红. 测控技术. 2018(04)
[8]基于模糊控制的无人水面艇航迹跟踪控制[J]. 梅爱寒,李宝安,张法帅. 计测技术. 2018(01)
[9]基于线性自抗扰控制的船舶航迹积分滑模控制器[J]. 邱峰,李伟,宁君. 上海海事大学学报. 2017(03)
[10]基于自适应专家S面算法的微小型USV控制系统设计[J]. 董早鹏,万磊,宋利飞,茅云生. 中国造船. 2017(02)
博士论文
[1]再入飞行器制导与控制方法研究[D]. 王林林.北京理工大学 2016
[2]再入飞行器动力学特性分析与控制方法研究[D]. 王亚飞.北京理工大学 2015
[3]基于轨迹线性化方法的近空间飞行器鲁棒自适应控制研究[D]. 薛雅丽.南京航空航天大学 2010
[4]空天飞行器不确定非线性鲁棒自适应控制[D]. 朱亮.南京航空航天大学 2006
硕士论文
[1]无人船建模及路径跟踪控制[D]. 王艳.浙江大学 2019
[2]基于Beaglebone Black的轮式倒立摆机器人的轨迹线性化控制[D]. 陈育.大连海事大学 2017
[3]无人水面艇实时路径规划系统研究[D]. 孙晓界.大连海事大学 2016
[4]航天器姿态控制干扰抑制及振动隔离问题研究[D]. 马晶晶.哈尔滨工业大学 2015
[5]PID控制器确定性性能评价研究[D]. 于明莉.大连理工大学 2015
[6]基于轨迹线性化的大攻角飞行导弹控制系统设计研究[D]. 韩菲.哈尔滨工程大学 2014
本文编号：3605511
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