無人水面船運動控制體系結(jié)構(gòu)及航跡跟蹤控制方法研究.pdf

1、隨著海洋戰(zhàn)略意義的不斷提升，海洋運載器的發(fā)展受到越來越多國家的重視。無人水面船作為集智能控制、遠程通信、探測偵查、排除海上障礙等多種功能于一身的海洋運載器，已經(jīng)成為當今水面艦艇里不可或缺的一員。為了使無人水面船能夠較好地完成規(guī)定任務(wù)，實現(xiàn)精確攻擊以及快速作戰(zhàn)，研究其運動控制系統(tǒng)以及航跡跟蹤控制具有重要的現(xiàn)實意義和較高的利用價值。
　　本文首先建立了無人水面船三自由度非線性運動模型，包括運動學方程和動力學方程。介紹了噴水推進器的工作

2、原理，分析了其噴水特性。并對所建的船舶模型進行了直航、回轉(zhuǎn)仿真驗證，確認了模型的正確性，為后面的控制器設(shè)計提供了模型依據(jù)。
　　然后對無人水面船運動控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進行了研究，體系結(jié)構(gòu)作為整個系統(tǒng)的上層建筑，對系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)起到至關(guān)重要的作用。USV運動控制系統(tǒng)在其體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進行研究設(shè)計，可以體現(xiàn)控制系統(tǒng)的模塊化與層次化，并在一定程度上體現(xiàn)了無人水面船的智能化控制。在介紹了幾種典型的體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合無人水面船運動控制系

3、統(tǒng)組成框架，首先設(shè)計了無人水面船運動控制系統(tǒng)分層遞階式體系結(jié)構(gòu)，并對該體系結(jié)構(gòu)的各個組成模塊進行介紹分析。針對分層遞階式體系結(jié)構(gòu)的缺點，以管理類型體系結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，又設(shè)計了無人水面船運動控制系統(tǒng)混合式體系結(jié)構(gòu)，并對混合式體系結(jié)構(gòu)的每一層進行了介紹說明。
　　在設(shè)計無人水面船航跡跟蹤控制器之前，首先對滑模變結(jié)構(gòu)基本理論以及李亞普諾夫穩(wěn)定性理論和定理進行了介紹，為后面的控制器設(shè)計提供理論依據(jù)。在設(shè)計滑模跟蹤控制器時，為了實現(xiàn)船舶位置跟蹤

4、誤差的收斂，首先設(shè)計了運動學回路虛擬控制器，將船舶的前向速度和側(cè)向速度作為虛擬控制輸入；然后設(shè)計了動力學回路滑模控制器，使得船舶的實際運動速度可以跟蹤虛擬控制輸入。無人水面船動力學回路滑模控制器分為兩部分設(shè)計，即縱向推力滑?？刂坡梢约稗D(zhuǎn)向力矩滑?？刂坡?。在設(shè)計控制律時，首先要選取合適的滑動平面函數(shù)，然后在該函數(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)運動學方程以及控制目標設(shè)計滑模控制律。最后對所設(shè)計的航跡跟蹤控制器進行了穩(wěn)定性分析，并在 Matlab中進行了仿真