無人水面船運(yùn)動(dòng)控制體系結(jié)構(gòu)及航跡跟蹤控制方法研究.pdf

1、隨著海洋戰(zhàn)略意義的不斷提升，海洋運(yùn)載器的發(fā)展受到越來越多國(guó)家的重視。無人水面船作為集智能控制、遠(yuǎn)程通信、探測(cè)偵查、排除海上障礙等多種功能于一身的海洋運(yùn)載器，已經(jīng)成為當(dāng)今水面艦艇里不可或缺的一員。為了使無人水面船能夠較好地完成規(guī)定任務(wù)，實(shí)現(xiàn)精確攻擊以及快速作戰(zhàn)，研究其運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)以及航跡跟蹤控制具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和較高的利用價(jià)值。
　　本文首先建立了無人水面船三自由度非線性運(yùn)動(dòng)模型，包括運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和動(dòng)力學(xué)方程。介紹了噴水推進(jìn)器的工作

2、原理，分析了其噴水特性。并對(duì)所建的船舶模型進(jìn)行了直航、回轉(zhuǎn)仿真驗(yàn)證，確認(rèn)了模型的正確性，為后面的控制器設(shè)計(jì)提供了模型依據(jù)。
　　然后對(duì)無人水面船運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，體系結(jié)構(gòu)作為整個(gè)系統(tǒng)的上層建筑，對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)起到至關(guān)重要的作用。USV運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)在其體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，可以體現(xiàn)控制系統(tǒng)的模塊化與層次化，并在一定程度上體現(xiàn)了無人水面船的智能化控制。在介紹了幾種典型的體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合無人水面船運(yùn)動(dòng)控制系

3、統(tǒng)組成框架，首先設(shè)計(jì)了無人水面船運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)分層遞階式體系結(jié)構(gòu)，并對(duì)該體系結(jié)構(gòu)的各個(gè)組成模塊進(jìn)行介紹分析。針對(duì)分層遞階式體系結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，以管理類型體系結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，又設(shè)計(jì)了無人水面船運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)混合式體系結(jié)構(gòu)，并對(duì)混合式體系結(jié)構(gòu)的每一層進(jìn)行了介紹說明。
　　在設(shè)計(jì)無人水面船航跡跟蹤控制器之前，首先對(duì)滑模變結(jié)構(gòu)基本理論以及李亞普諾夫穩(wěn)定性理論和定理進(jìn)行了介紹，為后面的控制器設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。在設(shè)計(jì)滑模跟蹤控制器時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)船舶位置跟蹤

4、誤差的收斂，首先設(shè)計(jì)了運(yùn)動(dòng)學(xué)回路虛擬控制器，將船舶的前向速度和側(cè)向速度作為虛擬控制輸入；然后設(shè)計(jì)了動(dòng)力學(xué)回路滑模控制器，使得船舶的實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度可以跟蹤虛擬控制輸入。無人水面船動(dòng)力學(xué)回路滑?？刂破鞣譃閮刹糠衷O(shè)計(jì)，即縱向推力滑?？刂坡梢约稗D(zhuǎn)向力矩滑?？刂坡?。在設(shè)計(jì)控制律時(shí)，首先要選取合適的滑動(dòng)平面函數(shù)，然后在該函數(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程以及控制目標(biāo)設(shè)計(jì)滑?？刂坡?。最后對(duì)所設(shè)計(jì)的航跡跟蹤控制器進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，并在 Matlab中進(jìn)行了仿真