水面无人艇建模与运动控制系统设计

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1、硕士学位论文水面无人艇建模与运动控制系统设计作者姓名郑烈心学科专业控制理论与控制工程指导教师裴海龙教授所在学院自动化科学与工程学院论文提交日期2016年4月ModelingandMotionControlSystemDesignofUnmannedSurfaceVehicleADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：ZhengLiexinSupervisor：Prof.PeiHailongSouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou,China分类号：TP273学校代号：10561学号：2013

2、20112101华南理工大学硕士学位论文水面无人艇建模与运动控制系统设计作者姓名：郑烈心指导教师姓名、职称：裴海龙教授申请学位级别：学术型硕士学科专业名称：控制理论与控制工程研究方向：水面无人艇控制系统设计与综合论文提交日期：2016年4月26日论文答辩日期：2016年6月7日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月日答辩委员会成员：主席：葛琳委员：裴海龙谢巍魏武娄全胜ｒ华南理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加Ｗ标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文

3、的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。＂作者签名：曰期：＞／＜年（月／ｍ成３Ｗ、）学位论文版权使用授权书巨Ｐ本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工大学。学校有权保存并向国家有关部口或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅（除在保密期内的保密论文外）；学校可公布学位论文的全部或部分内容，可允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文一。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相致。本学位论文属于：□保密

4、，在年解密后适用本授权书。哲Ｔ不保密，同意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议的单位浏览；同意将本人学位论文提交中国学术期刊（光盘版）电子杂志社全文出版和编入ＣＮＫＩ《中国知识资源总库》，传播学位论文的全部或部分内容。请在上＂＂（相应方框内打Ｖ）作者签名作＇；如曰親Ｋ店：日：：（指导教师签名期Ｍｌ摘要水面无人艇USV（UnmannedSurfaceVehicle）运动控制系统是一个欠驱动、不稳定的非线性系统，对其自主航迹跟踪控制研究依然是现阶段国内外研究的一大挑战。水面无人艇具有机动性强、体积小、隐蔽性强等独特的优点，使其在军事和民用领域都具有广阔的

5、应用潜力。因此研究开发水面无人艇自主航行控制系统具有重要的理论意义和实际应用价值。虽然目前国内对水面无人艇的建模和运动控制已有不少的研究，但是大部分是停留在理论研究阶段。本文将采用理论分析与模型仿真相结合的方式，对水面无人艇的运动数学模型进行研究和航行控制器进行设计，同时构建水面无人艇运动控制的软硬件平台实现自主航迹跟踪。根据控制系统设计的要求，本文主要分为模型建立、控制器设计与仿真、实验平台搭建和软硬件设计、航迹跟踪的实现四部分。首先在前人研究的基础上，采用传统的船舶机理建模的方法建立水面无人艇三自由度运动数学模型并通过系统参数辨识法验证了模型的准确性；接着根据运动数学模型分别设计了PID控

6、制器、鲁棒PID控制器和鲁棒PID滑模控制器，并在Matlab环境下对不同控制器的控制效果进行仿真；然后在实验室现有软硬件平台的基础上，自主搭建水面无人艇实验平台和设计软硬件系统；最后设计点对点自主航迹跟踪和直线航迹跟踪实验，验证了鲁棒PID控制器在水面无人艇航迹跟踪中的可行性。本文的重点研究在于水面无人艇自主航迹跟踪控制系统的搭建和基本航迹跟踪的实现，为后续水面无人艇的自主避障和平台的应用奠定了基础。关键字：水面无人艇；机理建模；鲁棒PID；鲁棒PID滑模；自主航迹跟踪IAbstractUnmannedSurfaceVehicle(USV)motioncontrolsystemisanund

7、er-actuatedandunstablenonlinearsystem.Currently,theresearchaboutautonomoustrajectorytrackingcontrolofUSVisstillagreatchallengeathomeandabroad.USVhasuniquecharacteristics,suchashighmobility,smallsize,h