具有橫搖約束的欠驅(qū)動(dòng)水面艇航跡跟蹤控制研究.pdf

1、水面艇作為速度快、靈活機(jī)動(dòng)的小型智能水面運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，在執(zhí)行偵察、排雷、搜救、水文勘察等軍事和民用任務(wù)時(shí)都有不可替代的作用。水面艇通常僅依靠螺旋槳的推進(jìn)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(gè)自由度運(yùn)動(dòng)，具有欠驅(qū)動(dòng)性。在受到風(fēng)、浪、流的干擾時(shí)，水面艇往往會(huì)偏離預(yù)定安全航跡，同時(shí)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(shí)現(xiàn)航跡跟蹤控制，是近年來(lái)船舶控制領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。

2、>　　本文采用有限時(shí)間控制研究三自由度欠驅(qū)動(dòng)水面艇航跡跟蹤控制問(wèn)題；為了避免水面艇劇烈橫搖帶來(lái)的危險(xiǎn)，采用耦合橫搖的四自由度航跡跟蹤模型，基于預(yù)測(cè)控制算法，將橫搖角作為狀態(tài)約束，設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)控制器控制航向；同時(shí)，采用Sage-Husa自適應(yīng)卡爾曼濾波技術(shù)消除噪聲的影響，設(shè)計(jì)干擾觀測(cè)器消除干擾的影響，實(shí)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(shè)計(jì)Backstepping非線(xiàn)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(chǔ)上，進(jìn)一步考慮水面艇受外界風(fēng)、浪、流干擾的影響，利用有限時(shí)間控制快速收斂性和強(qiáng)抗干擾能力的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)Backstepping和有限時(shí)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(shí)間收斂性能和抗干擾能力，通過(guò)仿真驗(yàn)證了算法的有效性。
　　然后，針對(duì)水面艇受風(fēng)、浪、流的影響產(chǎn)生橫搖，基于耦合橫搖的四自由度線(xiàn)性模型，將橫搖角作為預(yù)測(cè)控制的狀態(tài)約束，滾動(dòng)優(yōu)化

4、舵偏角實(shí)現(xiàn)欠驅(qū)動(dòng)水面艇的航跡跟蹤。通過(guò)仿真調(diào)整不同的預(yù)測(cè)步長(zhǎng)和不同的矩陣，實(shí)時(shí)對(duì)狀態(tài)預(yù)測(cè)校正，驗(yàn)證了預(yù)測(cè)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(diǎn)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，最終保證水面艇能按預(yù)定軌跡安全航行。
　　最后，針對(duì)水面艇航跡跟蹤系統(tǒng)的測(cè)量值為航向角，其余狀態(tài)量不能直接測(cè)量，考慮到系統(tǒng)噪聲和測(cè)量噪聲的影響，應(yīng)用Sage-Husa自適應(yīng)卡爾曼濾波技術(shù)對(duì)狀態(tài)量進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)；針對(duì)風(fēng)、浪、流干擾的影響，設(shè)計(jì)干擾觀測(cè)器，實(shí)時(shí)估計(jì)外界干