具有预设性能的水面无人艇轨迹跟踪与编队控制研究

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1、工程硕士学位论文具有预设性能的水面无人艇轨迹跟踪与编队控制研究作者姓名方冲工程领域控制工程校内指导教师戴诗陆教授校外指导教师谢志文工程师所在学院自动化科学与工程论文提交日期2018年1月TrajectoryTrackingandFormationControlofUnmannedSurfaceVesselsWithPrescribedPerformanceGuaranteesADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：FangChongSupervisor：Prof

2、.DaiShi-LuSouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou,China分类号：TP242学校代号：10561学号：201521013153华南理工大学硕士学位论文具有预设性能的水面无人艇轨迹跟踪与编队控制研究作者姓名：方冲指导教师姓名、职称：戴诗陆教授申请学位级别：工程硕士工程领域名称：控制工程论文形式：ꇶ产品研发ꇶ工程设计√ꇶ应用研究ꇶ工程/项目管理ꇶ调研报告研究方向：运动控制论文提交日期：2018年1月3日论文答辩日期：2018年3月17日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期

3、：年月日答辩委员会成员：主席：乔兴宏委员：罗飞；肖兵；戴诗陆；许玉格摘要水面无人艇作为海洋和湖泊中的新一代无人智能平台，具有便携、空间利用率高、隐蔽性强、机动性高、制作成本低等优点，现已成功应用于环境监测、海上搜救以及海事安全等领域。水面艇拥有三个自由度，然而现有水面艇通常只有两个动力输入，属于一类典型的欠驱动系统。轨迹跟踪控制是水面艇运动控制的一个重要任务，对系统的跟踪误差进行预设性能控制设计可以有效提高控制系统的性能。目前单个无人艇的能力仍然十分有限，难以完成一些较复杂的任务。多个无人艇的编队控制可以有效地提升无人艇执行

4、复杂任务的能力。因此，研究欠驱动水面无人艇的轨迹跟踪及编队控制问题具有重要的实际工程价值与理论意义。本文深入地研究了一类具有预设性能的水面无人艇系统的轨迹跟踪与编队控制设计问题。本文的主要研究内容包括如下：第二章针对一类欠驱动水面无人艇系统，基于后推设计方法和李雅普诺夫稳定性理论，研究了无人艇的轨迹跟踪控制器设计问题。首先对系统的输出跟踪误差进行预先约束，基于预设性能控制技术提出跟踪控制器的设计方法。该方法既避免了控制器可能存在的奇异问题，又确保了输出误差满足预先设定的稳态性能和暂态性能。在控制器设计过程中，引入动态面控制技

5、术，避免了虚拟控制器的求导问题，降低了控制系统的计算量。设计扰动观测器用于估计系统的未知外部时变扰动，并在控制器中给予补偿。本章进一步讨论了系统存在不确定动态的情形，应用自适应神经网络控制技术在线估计系统的不确定动态，并设计扰动观测器用于估计系统的未知时变扰动以及神经网络逼近误差。仿真实例验证了所提出的设计方法的有效性。第三章研究了基于领导-跟随者编队结构的水面无人艇编队控制问题。该问题的控制目标是设计编队控制器使得跟随者与其领导者之间始终保持在一定的通讯范围内，同时确保两者之间不会发生碰撞，即要求领导者与对应跟随者之间的距

6、离在一个预设的可行范围内。基于预设性能控制方法设计编队控制器使得跟随者与其领导者之间的距离始终保持在预设的可行范围内。仿真结果说明了所提出的编队控制方法的可行性。最后总结了本文的主要工作，并给出下一步的研究工作。关键词：水面无人艇；轨迹跟踪；编队控制；预设性能控制；神经网络控制技术IAbstractAnunmannedsurfacevessel(USV)isanewgenerationofunmannedintelligentplatformintheoceanandlakesduetoitsgreatbenefitsinp

7、ortability,highspaceutilization,goodconcealment,highmobility,andlowcost.ThemotioncontrolofUSVshasreceivedgrowingattentionfrombothcontrolengineeringandmarinetechnologycommunities.Atpresence,USVshavebeenwidelyappliedinenvironmentalsurveying,oceansampling,andmaritimer

8、escue.Typically,asurfacevesselisonlyequippedwithpropellersandruddersforsurgeandyawmotions,butwithoutanyactuatorsfordirectcontroloftheswaymotion.T