無人水面船的路徑規(guī)劃與跟蹤控制研究.pdf

1、無人水面船(Unmanned Surface Vehicle, USV)作為水上機器人的一種。由于其續(xù)航能力強、智能化以及多任務等優(yōu)勢，使得它能夠在如勘探石油、氣象監(jiān)測、運輸?shù)榷鄠€領域得到廣泛的應用。尤其在惡劣的工作環(huán)境下，USV扮演著其他船舶無可替代的角色，因此USV在水上作業(yè)中的諸多優(yōu)越性使得它被廣泛的應用在軍事與民用的各個領域。本課題以欠驅動無人水面船為對象，對其路徑規(guī)劃和軌跡跟蹤問題開展了深入地研究，開展了USV智能跟蹤控制和路

2、徑規(guī)劃的研究，主要內容如下：
　　本文首先建立起六自由度和三自由度的USV運動學模型和動力學模型。分析了剛體運動模型、水動力與力矩模型、恢復力與力矩模型、推進器模型；建立了六自由度的USV動力學模型，根據(jù)六自由度模型推導出欠驅動水面船舶運動的三自由度運動學和動力學模型。然后對船舶模型進行直航和定?；剞D實驗驗證，為后文的設計和研究奠定了基礎。其次，為保證USV的安全航行，利用人工勢場法對USV進行路徑規(guī)劃設計。在設計過程中，一方面改

3、進了斥力勢場函數(shù)，克服傳統(tǒng)人工勢場法在障礙物附近點無法到達目標的缺陷；另一方面在引力勢場中加入旋轉因子，避免無人水面船陷入局部最小點。最后，對于欠驅動USV，設計了一種基于神經(jīng)動態(tài)模型的反步跟蹤控制方法。首先分析了神經(jīng)元的工作原理并建立了神經(jīng)動態(tài)模型。然后介紹 Lyapunov的穩(wěn)定性原理和反步法基本原理。并且基于神經(jīng)元模型，將USV的虛擬控制量與動態(tài)神經(jīng)模型相結合，簡化了求導運算。設計了新型的軌跡跟蹤控制器。對所設計的基于神經(jīng)動態(tài)模型