欠驅(qū)動水面艇編隊航跡控制器設(shè)計.pdf

1、欠驅(qū)動水面艇以其日漸凸顯的商業(yè)價值和軍事價值及其欠驅(qū)動控制特性，近年來得到了持續(xù)的關(guān)注。本文圍繞欠驅(qū)動水面艇航跡控制器設(shè)計及其仿真系統(tǒng)開發(fā)，從欠驅(qū)動水面艇單艇模型建立及航跡控制器設(shè)計與仿真、多艇編隊航跡控制器設(shè)計和仿真、整個仿真系統(tǒng)的開發(fā)與驗證三個方面展開了研究。
　　首先，結(jié)合典型坐標(biāo)系定義與一般船舶三自由度模型，建立了欠驅(qū)動水面艇覆蓋縱蕩、橫蕩和艏搖三自由度的簡化數(shù)學(xué)模型；對海風(fēng)和海浪進(jìn)行了建模，為帶擾動情況下的控制系統(tǒng)設(shè)計提

2、供擾動模型；針對已構(gòu)建的欠驅(qū)動水面艇綜合模型，完成了基于視線法的航跡跟蹤PID控制器；并對單艇的航跡控制器進(jìn)行了仿真驗證和對其仿真結(jié)果進(jìn)行了分析。
　　其次，針對帶外部擾動情況下欠驅(qū)動水面艇多艇編隊控制問題，設(shè)計了基于引導(dǎo)—跟隨法的欠驅(qū)動水面艇多艇編隊航跡控制器。在領(lǐng)航船位置和艏向角已知以及航速有界且上界已知的假設(shè)下，將控制目標(biāo)分解為運動學(xué)環(huán)路控制子任務(wù)和動力學(xué)環(huán)路控制子任務(wù)，結(jié)合反步法與滑模變結(jié)構(gòu)方法，完成了一種欠驅(qū)動水面艇編隊

3、非奇異滑模魯棒控制器的理論設(shè)計，并進(jìn)行了控制器穩(wěn)定性分析；隨后利用欠驅(qū)動水面艇仿真系統(tǒng)開展了無干擾情況下和不同海況下的多艇編隊控制仿真，仿真結(jié)果表明：無干擾時，跟隨船在編隊控制器作用下，能快速準(zhǔn)確到達(dá)領(lǐng)航船指引的預(yù)期相對位置，即使在航跡轉(zhuǎn)角處，跟隨船仍能以很小的誤差對領(lǐng)航船進(jìn)行位置跟隨；引入1級海況和3級海況后，跟隨船對領(lǐng)航船的跟隨性能受風(fēng)浪影響，相對于領(lǐng)航船的位置雖不固定，但仍能保持總體穩(wěn)定。仿真結(jié)果綜合驗證了前文研究內(nèi)容與成果，包括

4、欠驅(qū)動水面艇數(shù)學(xué)模型、多艇編隊航跡控制器設(shè)計以及仿真系統(tǒng)。
　　最后，為對前文理論設(shè)計結(jié)果進(jìn)行仿真驗證，開發(fā)了欠驅(qū)動水面艇仿真系統(tǒng)。展示的水面艇仿真系統(tǒng)各組成部分和開發(fā)流程。仿真系統(tǒng)采用上位機和下位機結(jié)構(gòu)，上位機程序利用Matlab的Simulink模塊開發(fā)，實現(xiàn)了水面艇航跡控制任務(wù)的數(shù)值仿真和結(jié)果分析；下位機采用VC++和Vega Prime開發(fā)，實現(xiàn)了水面艇數(shù)值仿真結(jié)果的三維可視化顯示，上下位機采用網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。此系統(tǒng)