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欠驱动水面船舶航迹自抗扰控制研究一、概述随着海洋资源的不断开发和利用，水面船舶在军事、民用等领域的应用越来越广泛。
对船舶的航迹控制精度和稳定性要求也日益提高。
传统的航迹控制方法往往受到风浪、水流等环境干扰的影响，导致控制效果不佳。
研究一种能够自适应调整、抗干扰能力强的航迹控制方法具有重要的现实意义。
欠驱动水面船舶作为一种特殊类型的船舶，其控制系统设计更具挑战性。
由于欠驱动系统具有较少的控制输入，但却需要实现复杂的控制目标，因此如何充分利用有限的控制资源，实现高精度的航迹控制，是欠驱动水面船舶控制领域的重要研究方向。
自抗扰控制作为一种新兴的控制方法，具有对不确定性干扰的强鲁棒性和自适应能力。
将自抗扰控制应用于欠驱动水面船舶的航迹控制中，能够有效提高船舶在复杂环境下的控制性能。
本文针对欠驱动水面船舶的航迹自抗扰控制进行研究，旨在提出一种高效、稳定的控制策略，为船舶的自主航行提供技术支持。
本文首先介绍了欠驱动水面船舶的航迹控制问题及其研究现状，然后详细阐述了自抗扰控制的基本原理和关键技术。
在此基础上，本文提出了一种基于自抗扰控制的欠驱动水面船舶航迹控制策略，并通过仿真实验验证了其有效性。
本文总结了研究成果，并展望了未来的研究方向。
1. 欠驱动水面船舶的定义与特点欠驱动水面船舶，是指在船舶的运动控制过程中，其系统控制输入量的个数少于船舶自由度维数的特殊类型水面船舶。
就是某些运动自由度上缺乏直接对应的驱动机构，需要通过其他自由度的控制进行间接调控。
这种船舶在海洋运输、渔业捕捞、军事侦察等领域均有广泛的应用。
欠驱动水面船舶的特点显著，首先体现在其控制输入维数的不足。
与全驱动船舶相比，欠驱动船舶无法通过直接的方式对所有自由度进行控制，而必须依赖系统内部的耦合作用实现间接控制。
通过调整船舶的航向或速度，实现对船舶位置的间接控制。
这种控制方式增加了控制的复杂性，但同时也为船舶设计带来了灵活性，使得欠驱动船舶在结构和成本上更具优势。
欠驱动水下无人航行器航迹跟踪滑模控制系统设计张艺;余红英;刘琛【摘要】针对欠驱动水下无人航行器(Unmanned Underwater Vehicle,UUV)与外界复杂水文环境交互面临的特殊航迹跟踪的问题,研究了UUV航迹跟踪控制算法.基于UUV水平面动力学模型,设计了一种新型双闭环自适应航迹跟踪滑模控制系统,该系统能有效抑制外界干扰和不确定性的影响.首先,外环控制器中产生角度指令并传递给内环系统,外环产生的误差通过内环控制消除,同时设计内环控制律,在不需要惯性矩阵模型确切信息的情况下,通过姿态控制实现对外环产生的角度指令的跟踪.通过仿真及实际测试,均表明该控制方法能够实现对UUV精确的航迹跟踪.【期刊名称】《实验室研究与探索》【年(卷),期】2018(037)008【总页数】5页(P75-79)【关键词】位置控制器;姿态控制器;水下无人航行器;滑模控制【作者】张艺;余红英;刘琛【作者单位】中北大学电气与控制工程学院,太原030051;中北大学电气与控制工程学院,太原030051;中北大学电气与控制工程学院,太原030051【正文语种】中文【中图分类】TP2490 引言随着科学技术的发展，欠驱动UUV广泛应用于汇集海战场情报和海底区域作业中，其具备搜集海上水文、气象信息和辅助通信的使命。
轨迹跟踪在UUV作业中也扮演着无可取代的作用。
由于UUV具有的动力学复杂、输入输出非线性化、极易不稳定和欠驱动的特点，使得其在水下作业时极易受到外界复杂水文环境的影响，很难获得欠驱动UUV精准的动力学模型，因此进行欠驱动UUV航迹跟踪控制系统的设计十分必要[1-2]。
目前，关于UUV航迹跟踪控制已经有很多线性和非线性的系统控制策略和参数辨识方案，如自适应控制、智能PID、反演、H∞、模糊逻辑等控制方法，而其中航迹滑模跟踪控制可以高效抑制由于参数改变和外部扰动造成的不确定性影响，使系统实现对UUV三维轨迹的高精度跟踪，该控制器设计也适用于控制UUV非线性系统。
题目：欠驱动USV航迹跟踪控制技术学号：姓名：联系方式：一、概述水面无人艇（Unmanned Surface Vessel, USV）是一种具有自主规划、自主航行能力，并可以自主方式或人工干预的方式完成环境信息感知、目标探测等任务的小型水面舰艇。
是由无人机UA V、地面机器人UGV、水下无人航行器UUV 以及水面无人艇组成的无人系统的重要组成部分。
各种无人系统共同的鲜明特点是系列化、模块化、分布式、网络化以及协调能力。
欠驱动的意思是指系统的独立控制输入的数量小于与系统本身需要控制的自由度的特性。
大多数水面船，水下潜器，航空航天器(包括直升机、航天飞机等)，基准系统(包括倒立摆、球棒系统、柔性机械臂)，非完整移动机器人(包括仿生机器人)以及交通运载工具(包括机车、吊车)都是典型的欠驱动特性系统。
无人艇的控制系统具有欠驱动特性。
无人艇的推进主要依靠安装于艇体尾部的喷水推进器，它和其他推进器的不同之处在于利用喷水泵喷出水流的反作用力来推动船舶前进，并通过操舵倒航设备分配和改变喷流方向来实现操纵控制。
航迹控制需要同时控制船舶的位置和航向，无人艇控制系统只有2个控制输入，需要同时控制无人艇平面运动的3个自由度，独立控制输入少于其自由度，属于典型的欠驱动系统。
无人艇的航迹跟踪控制就是指在艇体控制系统的驱动控制下，使艇从一定的初始位置航行进入预先规划好的航线上，始终保持稳定并能够沿着规划的航线抵达目的地。
目前，航迹跟踪控制是运动控制领域的主要研究热点之一，同时，研究无人艇的航迹跟踪控制能够为无人艇的精确攻击和快速作战提供有利信息，具有重要的实际应用价值。
随着作战方式的变革，无人作战系统成为未来军事武器装备发展的主流趋势并得到了世界各国的重视，如今己在陆海空等多维领域取得了实质性的进展。
如在空中领域发展的无人飞行器，在地面发展的无人车，在水下发展的无人潜航器以及在水面发展的无人艇等等。
无人作战平台成为未来战争中监视、侦查、探测、情报收集、准确打击、武装保护、执行特殊作战任务、实现有生力量零伤亡的重要手段。
基于改进自适应积分视线制导方法的欠驱动无人水面艇路径跟踪控制作者：白一鸣刘磊韩新洁来源：《上海海事大学学报》2021年第04期摘要：为提高无人水面艇（unmanned surface vehicle， USV）对复杂海况的适应性，针对欠驱动USV的路径跟踪控制问题，设计基于改进的自适应积分视线（improved adaptive integral line-of-sight， IAILOS）制导方法和径向基神经网络（radial basis function neural network， RBFNN）的积分滑模路径跟踪控制器。
在IAILOS制导方法中，引入降阶的扩张状态观测器估计未知时变洋流速度，从而使得该制导方法不仅可以估计时变漂角，而且可以补偿未知时变洋流的扰动。
利用RBFNN的无限逼近特性来估计USV动力学模型中的不确定项和未知的外部环境干扰。
通过稳定性分析和仿真对比实验，验证了本文所设计的控制器的准确性和鲁棒性。
关键词：无人水面艇（USV）; 路径跟踪控制; 改进的自适应积分视线（IAILOS）制导方法; 径向基神经网络（RBFNN）; 滑模控制中图分类号： U664.82 文献标志码： AAbstract： To improve the adaptability of unmanned surface vehicles （USVs） to complex sea conditions， aiming at the path following control of underactuated USVs， an integral sliding-mode path following controller is designed based on the improved adaptive integral line-of-sight （IAILOS） guidance law and the radial basis neural network （RBFNN）. The reduced-order extended state observer is introduced to estimate the unknown time-varying ocean current velocity in the IAILOS guidance law， so that the guidance law can not only estimate the time-varying drift angle， but also compensate the disturbances of unknown time-varying ocean currents. The infinite approximation property of RBFNN is used to estimate the uncertain terms in the USV dynamic model and the unknown external environment disturbances. The accuracy and robustness of the controller are verified through the stability analysis and simulation comparison experiments.Key words： unmanned surface vehicle （USV）; path following control; improved adaptive integral line-of-sight （IAILOS） guidance law; radial basis function neural network （RBFNN）; sliding-mode control0 引言無人水面艇（unmanned surface vehicle， USV）的路径跟踪控制目标是控制USV跟踪几何平面内的一条理想的参数化路径，并且没有时间限制[1]。
摘要目前，海上航行的船舶大多数属于欠驱动船舶，对欠驱动船舶运动控制的研究对于降低设备成本，提高海上航行安全性具有重要意义。
本文对欠驱动船舶的航迹跟踪控制进行研究，主要内容包括：建立船舶6自由度运动的数学模型，分析船舶运动学和动力学特性，做进一步简化后得到欠驱动船舶的3自由度运动模型，为之后的研究和仿真打下基础。
针对路径跟踪控制过程中要求船速保持恒定而无法快速消除横向偏差的问题，将横向偏差和速度控制同时考虑到控制器的设计中，设计了一种基于LOS 引导律的时变速度路径跟踪控制器。
首先运用状态反馈和反步法分别推导出船舶的加速度，再利用最小二乘法对求得的两个加速度进行估计，在此基础上得到最终的控制律。
仿真实验表明所设计的控制器能够使船舶根据横向偏差及其变化率调整速度，更快速地达到预设路径。
针对轨迹跟踪中常规的线性反馈控制容易引起船舶推力饱和以及能耗增加的问题，设计了基于CB引导律的非线性反馈控制器，将船舶轨迹跟踪过程中的位置偏差和速度偏差考虑到控制回路中，调节控制器性能。
设计了三组不同的控制器，在不同的初始条件下对线性反馈控制器和非线性反馈控制器进行对比，仿真实验验证了非线性反馈控制器的优越性。
针对存在外界干扰和模型参数不确定的轨迹跟踪控制问题，引入关于纵向速度偏差的一阶滑模面和关于横向速度偏差的二阶滑模面，设计了轨迹跟踪滑模控制器。
为了在不同的控制要求下得到最优的控制参数，设计了离散时间非线性模型预测和滑模级联的控制器，对滑模参数进行实时在线的优化。
分别以最小跟踪误差，最小到达时间和最低能耗为目标对控制性能进行评价，仿真实验表明经过实时参数优化后的滑模控制器能达到更好的控制效果。
关键词：欠驱动船舶，跟踪控制，引导律，反馈控制，滑模控制AbstractAt present,most of the ships sailing on the sea belong to underactuated ships. The research on the motion control of underactuated ships is of great significance for reducing the cost of equipment and improving the safety of marine navigation.This paper studies the track control of underactuated ships,and the main contents are as follows:To analyze the characteristic of the ship,a6-DOF maneuvering motion mathematic model is established.Then a simplified3-DOF mathematic model for underactuated ships is established,base on which the simulation can be implemented.Considering that the cross-track error can not be quickly eliminated because of the constant surge speed,a two-step speed-varying path following controller for underactuated vessels based on LOS guidance is proposed.The method of least squares is used to find an approximate solution for the ship acceleration,which is derived using state feedback and back stepping method respectively.Under this condition,the ship can adjust its speed according to the cross-track error and its derivative,which leads to faster convergence to the path.To solve the problem of the thrust saturation and the increase of energy consumption caused by conventional linear feedback control for trajectory tracking, nonlinear feedback terms based on the CB guidance law are introduced into the design of controller.Position errors and velocity errors are considered in the nonlinear feedback control loop,which can adjust the performance of the controller.Three cascaded controllers are developed and compared under different initial conditions. The superiority of the nonlinear feedback controller is verified.A sliding mode controller for trajectory tracking in the presence of environment disturbance and model uncertainty is designed.The control law is derived by introducing a first order sliding surface in terms of surge tracking errors and a second one in terms of lateral motion tracking errors.A discrete-time nonlinear model predictive controller is used to update the parameters of the sliding mode control surfaces to achieve minimum tracking error,minimum reaching time and minimum energy objectives.Three controllers are designed and compared through simulation.The results show that the cascaded controller has better performance.Key words:Underactuated ships,tracking control,guidance law,feedback control, sliding mode control目录第1章绪论 (1)1.1研究背景与意义 (1)1.2欠驱动船舶的运动控制特性 (2)1.2.1本质非线性 (2)1.2.2模型不确定 (2)1.2.3外界干扰 (3)1.2.4约束条件 (3)1.3欠驱船航迹跟踪控制研究概述 (4)1.3.1国外相关研究 (5)1.3.2国内相关研究 (7)1.4论文主要研究内容 (10)第2章欠驱动船舶的运动数学模型 (11)2.1参考坐标系的建立 (11)2.2运动学特性 (13)2.2.1线性速度变换 (13)2.2.2角速度变换 (13)2.3动力学特性 (14)2.3.1刚体运动数学模型 (14)2.3.2水动力数学模型 (16)2.3.3环境力数学模型 (19)2.3.4船舶控制力数学模型 (22)2.4欠驱动水面船舶3自由度模型 (22)2.4.1水面船舶3自由度运动数学模型 (22)2.4.2简化的欠驱动船舶水面运动数学模型 (23)2.5本章小结 (24)第3章基于LOS引导算法的变速度路径跟踪控制 (26)3.1LOS引导算法 (26)3.2路径跟踪问题描述 (28)3.3时变速度路径跟踪控制器设计 (30)3.3.1减小横向偏差 (30)3.3.2满足速度控制要求 (31)3.3.3控制律 (32)3.4仿真实验及分析 (32)3.5本章小结 (36)第4章基于CB引导算法的轨迹跟踪状态反馈控制 (37)4.1CB引导算法 (37)4.2反馈控制器设计 (38)4.2.1线性位置反馈和线性位置速度反馈控制器 (38)4.2.1非线性位置反馈和线性速度反馈控制器 (40)4.2.3非线性位置反馈和非线性速度反馈控制器 (42)4.3仿真实验及分析 (42)4.3.1偏差较小的情况 (44)4.3.2偏差较大的情况 (46)4.5本章小结 (49)第5章基于模型预测的轨迹跟踪滑模控制器 (50)5.1滑模变结构控制 (50)5.1.1滑模变结构控制的基本原理 (50)5.1.2滑模控制的趋近律 (53)5.1.3滑模变结构控制器的设计 (54)5.2欠驱动船舶轨迹跟踪滑模控制器设计 (55)5.2.1控制问题描述 (55)5.2.2参考轨迹的确定 (56)5.2.3控制律设计 (57)5.2.4稳定性分析 (59)5.3模型预测与滑模级联控制器设计 (60)5.3.1模型预测控制的基本原理 (60)5.3.2级联控制器设计 (62)5.4仿真实验及分析 (63)5.5本章小结 (70)第6章总结与展望 (71)6.1总结 (71)6.2展望 (72)致谢 (73)参考文献 (74)攻读学位期间公开发表论文 (78)第1章绪论1.1研究背景与意义世界经济的增长使得人类对于海洋资源的需求日益增大，航运业的繁荣使得水路运输和船舶工程也得到了快速发展。
