无人水面船舶的研发近年来越来越受到关注,其在较强环境扰动下自动靠泊控制是亟待解决的关键性问题之一。本文研究无人水面船舶自动靠泊控制问题,旨在为研究无人水面船舶靠泊支持系统和智能/无人船舶全航线自动控制探索新的思路和方法。论文完成的主要研究工作如下:1.分别建立了吊舱推进和带襟翼舵的两型无人水面船舶的操纵运动数学模型。研究这两型具有良好操纵性的无人船具有一定典型性,基于推进器和舵的不同形式,本文采用了两种不同的自动靠泊模式。对于吊舱推进无人水面船舶在港内操纵,给出了合理的自动靠泊策略;又根据其具有低速,状态变化慢的特点,应用MMG(Maneuvering Modeling Group)建模机理,基于吊舱推力矢量数学模型建立了该种船舶自动靠泊数学模型;并给出了海洋环境干扰的计算方法。对于带襟翼舵的无人水面船舶,建立了分离型运动数学模型,并给出了襟翼舵的升力计算公式。作者对于这两型无人船进行操纵性研究。首先基于等舵效分析方法对于吊舱推进无人船操纵性能进行了分析,将两个转向角以及螺旋桨转速以函数关系对应到常规船舶的舵角和螺旋桨转速上。分为四种工况进行仿真,包括船舶行驶过程的常规状态,以及故障状态。通过这种将双吊舱推进船舶类比到普通单桨单舵船舶的操纵性分析方法,为多推进器无人船舶操纵性能的分析提供了新思路。随后进行了吊舱推进无人船和带襟翼舵无人船的典型操纵性实验对比分析,可以得出这两型无人船较常规单舵单桨船舶具有更有效的操纵性。2.针对无人水面船舶自动靠泊研究过程中存在未知时变扰动及数学模型参数误差的动态不确定性情况,给出吊舱推进无人水面船舶的控制策略。采用生成对抗神经网络(Generative Adversarial Networks,GAN)自适应 Backstepping 滑模控制方法设计控制律。考虑自动靠泊过程中位置受限问题,采用障碍Lyapunov方法来限制位置变量。为解决被控无人船系统在滑模控制初始阶段容易产生较大幅度振荡问题,采用在系统初始阶段加入跟踪微分器的方法来消除大的抖振。根据吊舱式推进船舶的推进器的分布特性,给出了基于序列二次型的推力分配策略。在仿真分析中,将该方法与基于趋近律的滑模控制方法进行对比。仿真结果表明这两种方法均能够在一定的干扰下完成无人水面船舶自动靠泊任务,生成对抗神经网络自适应Backstepping滑模控制方法具有更有效的动态控制效果。3.由于自动靠泊任务对于控制精度要求较高,为了进一步提高控制的快速性和抗干扰性,本文提出更具工程实际意义的有限时间自动靠泊控制的相关理论方法。首先设计有限时间观测器,对于系统内外部存在的动态不确定性进行估计,并证明了其有限时间收敛。对于在应用有限时间控制理论设计控制律时容易出现奇异的情况,作者设计了基于全局快速非奇异终端滑模的自动靠泊控制器来避免这一问题。相关仿真结果表明,所设计的无人船有限时间自动靠泊机制可以实现有限时间稳定,提高了自动靠泊过程的快速性以及抗干扰性。4.对于带襟翼舵的欠驱动无人水面船舶的自动靠泊,作者在日本水产工学研究所进行了无人船自主靠泊水池实验。为确定自动靠泊航线,采用视线法作为制导律,设计运动轨迹的根据为以合理进入泊位的角度作为船舶航向来控制船舶运动。在实验前先进行仿真分析,建立了基于用户数据报协议(User Datagram Protocol,UDP)通信的远程控制仿真系统。应用该仿真测试系统,对于生成对抗神经网络自适应Backstepping滑模控制律和有限时间控制律的自动靠泊效果进行了验证,同样得出有限时间控制律具有更好的快速性和抗干扰性的结论。作者在水池实验中采用非线性自抗扰控制器和PID控制器对比分析了安装襟翼舵的无人船在有风和无风条件下自动靠泊的能力,首先对于这两种算法的控制效果进行了仿真计算。结合仿真结果,进行了实际水池实验验证。实验结果表明,在实际应用中非线性自抗扰控制器结果更优,这有助于解决无人船自动靠泊过程中自主确定航线和提高抗干扰能力问题及提高船舶靠泊航行安全性,取得了有益于无人船自动靠泊控制研究的水池实验数据和部分实验结果。