无人艇航向运动控制技术研究

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1、分类号：密级：UDC：编号：工学硕士学位论文无人艇航向运动控制技术研究硕士研究生：李奕指导教师：傅荟璇讲师学科、专业：控制科学与工程论文主审人：李芃副教授哈尔滨工程大学2018年3月分类号：密级：UDC：编号：工学硕士学位论文无人艇航向运动控制技术研究硕士研究生：李奕指导教师：傅荟璇讲师学位级别：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：2018年1月论文答辩日期：2018年3月学位授予单位：哈尔滨工程大学ClassifiedIndex:U.D.C:ADissertationfortheDegreeofM.EngResearch

2、onHeadingMotionControlofUn-mannedSurfaceVesselCandidate:LiYiSupervisor:Lecturer.FuHuiXuanAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpecialty:ControlScienceandEngineeringDateofSubmission:Jan.2018DateofOralExamination:Mar.2018University:HarbinEngineeringUniversity哈尔滨工程大学学位论文原创性声明

3、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件。本人允许哈尔

4、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：年月日年月日无人艇航向运动控制技术研究摘要无人艇，作为一种机动灵活的水面移动舰艇，行动隐蔽、不易遭敌攻击，在军事和科考中用途广泛。由于无人艇艇身小、吃水浅，当面对恶

5、劣海况航行时，其数学模型参数的不确定性和非线性扰动就会增强，其运动控制的抗扰问题就显得尤为重要。为此，本文利用扩张状态观测器对总扰动（模型参数摄动的内扰+随机海浪的外扰）进行估计和补偿，同时考虑算法的控制系统工程可实现性，解决恶劣海情下无人艇的航向控制问题。首先，基于动量定理、动量矩定理建立了无人艇艏摇、横荡和纵荡三自由度平面运动数学模型以及响应数学模型，给出了简易舵机模型，建立了海风、海浪、海流环境干扰数学模型，为无人艇航向控制系统的设计及实验分析奠定了基础。其次，引入自抗扰控制思想，同时便于控制器参数整定和嵌入式实现，采用尺度化和参数化后的线性自抗扰

6、控制，分析了其各组成部分原理及功能，给出了其稳定性分析。基于此，根据无人艇要实现的航向控制功能需求，设计了基于带宽整定的无人艇航向自抗扰控制器，同时也设计了无人艇航向PID控制器。搭建了无人艇航向抗扰控制数字仿真（艇体及外界海况风、浪、流等模块）+基于嵌入式ARM9（Linux环境下）的抗扰控制器物理样机，完成了无人艇航向抗扰控制系统的仿真实验。最后，在无外界环境干扰、系统模型参数大范围摄动和恶劣海况下，验证了所设计控制器的航向跟踪和保持的控制品质，给出了航向角、舵角的仿真曲线以及统计值。仿真实验结果表明：本文所设计的无人艇航向抗扰控制策略具有调试简单、

7、直观，响应快、超调量小等优点，表现出良好的控制性能，比PID控制器具有更优的扰动抑制能力和鲁棒性。同时，本文所实现的基于嵌入式的无人艇航向自抗扰控制器物理样机实时性好，满足恶劣海况下无人艇航向控制精度的要求，具有一定的实用参考价值。关键词：水面无人艇；航向控制；自抗扰控制器；嵌入式Linux开发哈尔滨工程大学硕士学位论文无人艇航向运动控制技术研究ABSTRACTUnmannedsurfacevessel(USV),asamobileandflexiblesurfaceship,hiddeninaction,notvulnerabletoenemyatta

8、cks,hasbeenwidelyusedinbothmilitaryandsc