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题名	欠驱动水面无人艇位姿保持控制方法研究
作者	李朋博
答辩日期	2021-05-21
授予单位	中国科学院沈阳自动化研究所
授予地点	沈阳
导师	苑明哲
关键词	欠驱动 镇定控制 连续线性化
学位名称	专业学位硕士
其他题名	Research on the control method of Station-keeping Control based on Underactuated Unmanned Surface Vehicle
学位专业	机械工程
英文摘要	水面无人艇是当前船舶智能化和无人化发展的一个重要研究平台，在民用和军用方向都扮演着重要的角色。由于实际成本限制，水面无人艇往往不配备全向或侧向推进器，属于典型的欠驱动系统，对其运动控制器的设计一直都是学界的研究热点。随着现代智能控制技术和无人系统的发展，如何实现欠驱动系统的精准控制是当前无人系统运动控制方向一个难点。本文的研究目的是通过设计欠驱动水面无人艇的镇定控制器，实现欠驱动下的水面无人艇的位姿保持控制，达到约束航向和位置的目的。水面无人艇是一类较为典型的欠驱动系统，不配备横向推进器，只依赖前向推力和舵机或多推进器实现水面无人艇的控制。同时由于水面无人艇区别于传统全驱动船舶的欠驱动特性，所以为满足本文的位姿保持的控制需求，需要寻求新的控制策略。水面无人艇的镇定运动控制通常被区分为两部分：点镇定和航迹镇定，本文主要针对水面无人艇的点镇定运动进行数学模型构建，设计镇定控制器完成水面无人艇的位姿保持。本文首先提出了一种基于航向约束的位姿保持制导策略，其次采用了基于线性连续化的模型预测控制，并进行水面无人艇的镇定控制器设计，使水面无人艇能够在期望位姿邻域内，保持船体的期望位姿。本文主要将主要对以下三个方面的工作进行讨论：第一，对水面无人艇的六自由度模型要进行合理的简化，建立三自由度的数学模型；随后介绍了水面无人艇操纵响应模型，并讨论了以上两种模型的特点和应用场景；并利用现有水面无人艇平台设计了船舶辨识实验，得到一阶线性野本模型的辨识参数。最后对水面无人艇的控制难点进行分析。第二，提出基于航向约束的位姿保持制导策略。通过将航向保持从控制器中剥离，将其纳入制导环，通过视线法制导和在制导策略中设计航向约束是水面无人艇达到航向稳定的同时，通过内环控制器保证船舶的位置保持。依赖制导策略对航向进行约束，降低了控制器的设计难度，容易工程化实现。基于辨识得模型进行仿真实验证明，对比PD控制器，本文所提出的制导策略在欠驱动水面无人艇的位姿保持上有较好的实现效果。第三，文中对非线性模型，采用了连续线性化的方法构建了线性时变模型。通常情况下，非线性数学模型的线性化处理方式为：在当前的平衡点处或极小邻域内对模型作线性化。本文对非线性模型在雅克比线性化的基础上，在模型中保留连续项，使得连续系统在当前状态的每个采样时刻都被线性化处理，随后对所有变量离散化处理，得到离散的线性时变模型，最后基于模型预测控制方法进行控制器设计，实现水面无人艇的位姿保持控制。
语种	中文
产权排序	1
页码	65页
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.sia.cn/handle/173321/28991]
专题	沈阳自动化研究所_广州中国科学院沈阳自动化研究所分所
作者单位	中国科学院沈阳自动化研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	李朋博. 欠驱动水面无人艇位姿保持控制方法研究[D]. 沈阳. 中国科学院沈阳自动化研究所. 2021.

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