带有时变惯性阵无人艇的路径跟踪

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1、分类号：密级：1UDC：编号：1专业硕士学位论文（工程硕士）带有时变惯性阵无人艇的路径跟踪硕士研究生：朱丽红指导教师：付明玉教授企业导师：侯山高高级工程师工程领域：控制工程论文主审人：哈尔滨工程大学2018年05月分类号：密级：1UDC：编号：1专业硕士学位论文（工程硕士）带有时变惯性阵无人艇的路径跟踪硕士研究生：朱丽红指导教师：付明玉教授学位级别：工程硕士工程领域：控制工程所在单位：自动化学院论文提交日期：2018年05月论文答辩日期：2018年06月学位授予单位：哈尔滨工程大学ClassifiedIndex:U.D.C:ADissertationfortheProfessionalDeg

2、reeofMaster（MasterofEngineering）PathFollowingControlResearchofUSVwithTime-varyingInertialArrayCandidate:ZhuLihongSupervisor:Prof.FuMingyuAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringEngineeringField:ControlEngineeringDateofSubmission:May,2018DateofOralExamination:June,2018University:HarbinEngineerin

3、gUniversity哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者(签字)：日期：年月日哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印

4、件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。本论文(□在授予学位后即可□在授予学位12个月后□解密后)由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。作者(签字)：导师(签字)：日期：年月日年月日摘要随着海上安全的重要性不断提高，海洋科技的不断进步，作为一种智能化海洋设备，无人艇的研究受到各界重视。海洋环境复杂，无人艇完成任务时，通常需对其行驶路径提前做好规划，使无人

5、艇沿着规划路径进行运动。无人艇执行不同任务时，艇上搭载仪器设备各不相同，会对无人艇质量造成影响；无人艇高速运动时的附加质量即惯性水动力系数会发生变化；由于海况作用也会使无人艇的系统惯性矩阵产生不确定项。故本文在考虑到系统惯性矩阵不确定的情况下，同时克服海洋环境干扰的影响，设计了基于反步自适应的无人艇路径跟踪控制器和基于神经网络的无人艇路径跟踪控制器，提高系统跟踪性能。本文研究内容如下：首先，分析了船舶运动模型主要采用的北东坐标系和船体坐标系，并对两种坐标系下的坐标转换进行了计算。在此基础上，通过分析船舶运动学和动力学特性，建立了无人艇运动数学模型；对环境扰动作用进行研究并建立相关数学模型；针

6、对性的对无人艇高速运动时的惯性矩阵变化情况进行了分析之后，通过模型仿真实验，验证上述无人艇数学模型的正确性。其次，对于具有欠驱动特性的无人艇路径跟踪，为了解决视线法仅适用于直线路径跟踪的问题，使用Serret-Frenet（SF）坐标对其进行重新设计，并改进了视线法存在的弊端，根据微分同胚转换，将对北东坐标系下位置误差的镇定转换为SF坐标系下跟踪误差的镇定。通过导引控制器设计，将路径跟踪问题转变为艏向跟踪与速度控制，简化了相关控制模型。将反步法与自适应控制方法相结合，对惯性矩阵和定常干扰进行估计，设计了路径跟踪控制器，消除了环境扰动的影响，也解决了惯性矩阵不确定的问题。在积分导引算法中，对漂

7、角进行了积分补偿，使无人艇路径跟踪应用中，未安装导航系统或导航系统失灵状态下也可以完成路径跟踪任务。经过仿真研究，该控制算法有效的实现了路径跟踪的目的。再次，考虑到模型参数变化情况，设计了基于上界估计的反步自适应法。对于带有标称值的时变惯性矩阵无人艇，首先对无人艇模型进行简化，通过对模型的处理，成功地将模型变化部分转化为对时变干扰的处理，从而简化控制器的设计。同时假设干扰上界，设计了反步自适应鲁棒控制器，从而