无人水面船精准航迹跟踪控制研究

来源 :大连海事大学 | 被引量 : 10次 | 上传用户:sunzhiqiang7310
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无人水面船具有结构紧凑、操纵灵活、机动性强等优点,在军事、民用、海事和科研等领域已有诸多应用。随着海洋战略的不断实施,无人水面船研发工作正被各国高度重视。航迹跟踪作为执行各种任务的基础,是无人水面船运动控制的一个重要研究领域,已成为当前研究热点。若考虑复杂海洋扰动和未建模动态,传统基于模型的控制方法将不再适用,无人水面船的高精度跟踪控制颇具挑战性但更有实际意义。本文基于扰动观测设计有限时间控制技术来解决上述问题,研究不依赖于无人水面船运动模型的有限时间控制方法,实现高精度航迹跟踪控制。首先,本文提出无人水面船积分滑模有限时间控制策略。该策略实现无扰动时无人水面船精准航迹跟踪控制,得到有限时间控制特性,具备更快收敛速度和更高控制精度。闭环稳定性由Lyapunov理论严格保证,且跟踪误差最终为零。仿真结果进一步验证了该控制律的有效性。进而,为消除海洋干扰对无人水面船的影响,本文采用扰动观测技术设计有限时间扰动观测器,并结合负齐次理论设计有限时间航迹控制策略。最终,不仅外部扰动可被有效补偿,实现扰动零逼近误差,而且航迹和航速根据误差均能在有限时间收敛到零。最后通过仿真验证了所设计控制器的有效性和优越性。此外,为使研究更具实际意义,本文又进一步考虑含有未知动态的无人水面船,设计基于不确定观测器的航迹跟踪方法。具体地,将无人水面船未建模水动力特性和外部扰动打包为集总不确定项,并设计不确定观测器,实现精准打包逼近。然后又结合非奇异终端滑模技术设计控制律,实现不依赖于精确无人水面船模型的精准航迹控制。理论和仿真结果均能确保所设计控制律的有效性。
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