无人艇轨迹跟踪控制方法研究

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1、分类号：密级：ＵＤＣ：编号：工学硕士学位论文无人艇轨迹跟踪控制方法研究硕士研究生：刘勇指导教师：李刚副教授学科、专业：控制科学与工程论文主审人：刘利强副教授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轨迹跟踪控制方法研究硕士研究生：刘勇指导教师：李刚副教授学科、专业：控制科学与工程论文主审人：刘利强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轨迹跟踪控制方法研究硕士研究生：刘勇指导教师：李刚

2、副教授学位级别：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3月学位授予单位：哈尔滨工程大学ClassifiedIndexU.D.CADissertationfortheDegreeofM.EngResearchonControlMethodofTrajectorytrackingforUnmannedSurfaceVehicleCandidate:LiuYongSupervisor:Prof.LiGangAcademicDegreeApp

3、liedfor:MasterofEngineeringSpecialty:ControlScienceandEngineeringDateofSubmission:Dec.2017DateofOralExamination:Mar.2018University:HarbinEngineeringUniversity摘要水面无人艇是一种在海上能够自主航行的智能平台，它可以对环境改变迅速作出反应，并且具有轻量化、功能化、高航速等优点。水面无人艇对恶劣的外界环境具有较强的适应能力，其在军事和民用等领域得到了广

4、泛的应用。同时，无人艇在复杂多变的环境中，其仍能够保持自主航行是非常重要的。而具有高精度并且稳定的轨迹跟踪控制系统是对无人艇自主航行的基本保证，因此对无人艇轨迹跟踪控制方法的研究具有重要的意义。无人艇在海上航行时易受到风、浪、流等外界环境的影响，同时其运动系统是一种特殊的非线性系统，因此对无人艇轨迹跟踪控制方法的研究具有较大的挑战性。另一方面，在实际的航行中，由于无人艇的速度状态矢量通常难以测量，使得传统的控制方法难以解决现有的问题，这就需要对新的无人艇控制方法进行探索。本文针对上述问题，结合滑模控制理

5、论分别设计了两种不同的轨迹跟踪控制器。首先，针对系统中存在的不确定性和外界干扰，通过弱化复杂的条件，建立了水面无人艇的三自由度数学模型。该数学模型是进行轨迹跟踪控制器的设计以及轨迹跟踪仿真研究的基础。其次，针对无人艇速度状态矢量不可测的轨迹跟踪控制问题，设计了基于观测器的轨迹跟踪滑模控制器。利用非线性变换构造出稳定的观测器。在动力学回路，使用滑模控制方法，设计一阶、二阶滑模面，采用指数趋近律并结合无人艇速度向量的估计值以及所设计的运动学回路虚拟控制律，最终得到纵向推力和横向转向力矩滑模控制律。然后，针对

6、存在外界环境干扰和模型参数不确定的无人艇轨迹跟踪问题，设计了基于RBF神经网络滑模控制的轨迹跟踪控制器。将外界环境干扰作为模型参数的不确定部分，利用RBF神经网络可以逼近任意非线性函数的特性，估计无人艇模型中的未知项。在运动学回路，将期望轨迹与实际位置信息相结合设计出运动学回路速度虚拟控制律，通过速度误差的镇定，来实现轨迹跟踪误差的镇定控制。在动力学回路，使用滑模控制方法，设计一阶、二阶滑模面，并且采用指数趋近律最终得到纵向推力自适应滑模控制律和横向转向力矩自适应滑模控制律。最后，对于设计出的无人艇轨迹

7、跟踪控制器在MATLAB环境中进行了仿真实验。仿真结果表明，上述控制算法均能够实现对封闭型轨迹和开放型轨迹的精确跟踪控制，从而验证了所设计算法的有效性。关键词：水面无人艇；轨迹跟踪；观测器；滑模控制；RBF神经网络ABSTRACTTheunmannedsurfacevehicleisasmartplatformwhichcannavigatebyitselfatsea.Itcanrespondquicklytothechangesofenvironmentandithastheadvantagesofl

8、ightweight,functional,theadvantagesofthehighspeed.Theunmannedsurfacevehiclehasastrongabilitytoadapttoharshconditionsandhasbeenwidelyusedinmilitaryandcivilservice.Atthesametime,itisveryimportantfortheunmannedsurfacevehiclet