基于扰动补偿的无人艇路径跟踪控制算法研究

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1、分类号：___________密级：___________UDC：___________编号：___________工学硕士学位论文基于扰动补偿的无人艇路径跟踪控制算法研究硕士研究生：周利指导教师：付明玉教授学科、专业：控制科学与工程论文主审人：丁福光教授哈尔滨工程大学2018年03月分类号：密级：UDC：编号：工学硕士学位论文基于扰动补偿的无人艇路径跟踪控制算法研究硕士研究生：周利指导教师：付明玉教授学位级别：工学硕士学科、专业：控制科学与工程所在单位：自动化学院论文提交日期：2017年12月论文答辩日期：2018年03

2、月学位授予单位：哈尔滨工程大学ClassifiedIndex:U.D.C:ADissertationfortheDegreeofM.EngPathFollowingControlResearchofUSVbasedonDisturbanceCompensationCandidate:ZhouLiSupervisor:Prof.FuMingyuAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpecialty:ControlScienceandEngineeringDateofSubm

3、ission:Dec.2017DateofOralExamination:Mar.2018University:HarbinEngineeringUniversity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（

4、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1

5、2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：年月日年月日基于扰动补偿的无人艇路径跟踪控制算法研究摘要近年来，随着海洋科学技术的不断发展和进步，作为智能化海洋装备的重要组成部分之一，水面无人艇（UnmannedSurfaceVehicle，USV）的研究受到越来越广泛的关注。海上环境复杂多变，保证USV在安全航行的前提下实现快速高精度的路径跟踪控制是完成USV战略战术目标的基础，这就使得跟踪路径成为了USV运动控制研究的重要内容之一。本文为实现USV高精度路径跟踪，在研究

6、和参考大量国内外研究成果的基础上，针对存在未知环境扰动的USV路径跟踪控制问题，设计了基于扰动补偿的USV路径跟踪鲁棒控制器，提高USV跟踪性能，本文的研究内容如下：1、建立了USV的三自由度船舶数学模型和扰动数学模型。首先，建立了分析船舶运动特性所需要的两种参考坐标系，北东坐标系和船体坐标系；其次，分析船舶运动学和动力学特性，建立了USV船舶数学模型；然后，分析风、浪和洋流环境扰动，建立了这三种扰动的数学模型；最后，进行定常直航和回转开环仿真实验，验证了船舶数学模型的正确性。2、研究了不受路径形状约束的USV路径跟踪控制

7、算法。结合视线（Line-of-Sight，LOS）导引和SF（Serret-Frenet，SF）微分坐标框架建立了USV路径跟踪位置误差数学模型，在此基础上设计了SFLOS导引系统。该算法将路径切向速度作为一个虚拟控制律，通过控制艏向和航速实现位置误差收敛，简化控制器设计，避免了复杂的模型转换。针对未知扰动，设计了指数收敛扰动观测器在线估计环境扰动，并在控制器中进行前馈补偿，设计了路径跟踪反步控制器。仿真结果表明设计的路径跟踪控制算法能实现期望路径的精确跟踪，并且具有较强的鲁棒性。3、针对横向无驱动的USV在洋流作用下容

8、易引起较大横向跟踪误差的问题，设计了基于洋流补偿的积分导引路径跟踪控制算法。该算法针对存在洋流的USV相对速度数学模型，设计了自适应洋流扰动观测器，通过在导引中引入一个艏向角积分补偿项，减小洋流对USV航行造成的影响。针对常规反步法存在的“微分爆炸”问题，利用二阶低通滤波器获得期望艏向的一阶和二阶导数，