具有橫搖約束的欠驅(qū)動水面艇航跡跟蹤控制研究.pdf

1、水面艇作為速度快、靈活機動的小型智能水面運動平臺，在執(zhí)行偵察、排雷、搜救、水文勘察等軍事和民用任務時都有不可替代的作用。水面艇通常僅依靠螺旋槳的推進力和舵的轉(zhuǎn)向力矩控制水平面橫向、縱向位置和艏搖3個自由度運動，具有欠驅(qū)動性。在受到風、浪、流的干擾時，水面艇往往會偏離預定安全航跡，同時有較大幅度的橫搖，影響乘員舒適性、損壞貨物，甚至發(fā)生傾覆。因此，提高水面艇操縱性以克服橫搖并實現(xiàn)航跡跟蹤控制，是近年來船舶控制領域研究的熱點問題之一。

2、>　　本文采用有限時間控制研究三自由度欠驅(qū)動水面艇航跡跟蹤控制問題；為了避免水面艇劇烈橫搖帶來的危險，采用耦合橫搖的四自由度航跡跟蹤模型，基于預測控制算法，將橫搖角作為狀態(tài)約束，設計預測控制器控制航向；同時，采用Sage-Husa自適應卡爾曼濾波技術消除噪聲的影響，設計干擾觀測器消除干擾的影響，實現(xiàn)航跡跟蹤的目的，并起到抗橫搖作用。
　　首先，基于水面艇三自由度航跡跟蹤誤差模型，設計Backstepping非線性控制律，使水面艇能

3、快速跟蹤到期望航跡，保證閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在此基礎上，進一步考慮水面艇受外界風、浪、流干擾的影響，利用有限時間控制快速收斂性和強抗干擾能力的特點，設計Backstepping和有限時間控制綜合控制律，提高了水面艇航跡跟蹤系統(tǒng)的魯棒性，從理論上證明控制系統(tǒng)有限時間收斂性能和抗干擾能力，通過仿真驗證了算法的有效性。
　　然后，針對水面艇受風、浪、流的影響產(chǎn)生橫搖，基于耦合橫搖的四自由度線性模型，將橫搖角作為預測控制的狀態(tài)約束，滾動優(yōu)化

4、舵偏角實現(xiàn)欠驅(qū)動水面艇的航跡跟蹤。通過仿真調(diào)整不同的預測步長和不同的矩陣，實時對狀態(tài)預測校正，驗證了預測控制器能有效減少橫搖角，使得系統(tǒng)各狀態(tài)量收斂到平衡點達到穩(wěn)定狀態(tài)，最終保證水面艇能按預定軌跡安全航行。
　　最后，針對水面艇航跡跟蹤系統(tǒng)的測量值為航向角，其余狀態(tài)量不能直接測量，考慮到系統(tǒng)噪聲和測量噪聲的影響，應用Sage-Husa自適應卡爾曼濾波技術對狀態(tài)量進行最優(yōu)估計；針對風、浪、流干擾的影響，設計干擾觀測器，實時估計外界干