基于速变LOS的欠驱动无人船路径跟踪控制系统研究

来源 :华南理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:junhao1987
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无人船(Unmanned Surface Vehicle,USV)作为一种无人化智能设备在海洋经济发展中担当起了重要角色,并且凭借其高自主性、高机动性、强稳定性在军事和民用领域应用愈加广泛。在有关无人船的众多关键技术领域中,决定无人船安全稳定的运动控制系统是目前备受关注的研究课题。本文以涵道式双螺旋桨推进无人船为研究对象,搭建了一套用于水声通信及路径跟踪控制实验的无人船平台,同时研究了单无人船的路径跟踪控制问题。论文的主要工作如下:首先,本文介绍了无人船系统的基本组成,并详细分析了无人船的运动控制系统,给出了传统艏摇型无人船的水平面三自由度运动模型。在制导律方面分析了视线法(Line-of-sight,LOS)制导原理,在控制器方面分析了传统的比例积分微分(Proportional Integral Derivative,PID)控制原理及模糊PID控制(Fuzzy PID Control,FPIDC)原理。其次,本文研究了基于树莓派的无人船平台硬件搭建和软件设计开发。在硬件搭建上,无人船搭载多路通信设备、传感器设备、固定绞车、船载通信机等设备。在软件设计上,服务端软件设计成支持上位机、遥控器、水声实验室网页端多路通信控制;上位机软件集成控制监控功能,可获取服务端上传的位置姿态信息、摄像头实时画面,并下发指令控制无人船。在实际测试中,硬件软件工作稳定,能够很好的完成路径跟踪及指定深度吊放换能器的实验任务。最后,本文研究了基于速变LOS(Velocity Change LOS,VCLOS)和FPIDC的欠驱动无人船路径跟踪控制方法。一方面对有限的输入路径点进行线性插值或三次样条插值,同时设置第一虚拟路径点严格跟踪路径起点,另一方面针对路径折角设计降速带降速策略平滑降速从而提升无人船的跟踪性能。设计制导律及速度控制律完成运动学控制,设计双通道FPIDC控制器完成动力学控制。仿真和实船测试结果表明,提出的VCLOSFPIDC控制方法在多种路径上的跟踪性能均优于传统的LOS-PID控制方法,同时本方法能够应对封闭直线跟踪、封闭曲线跟踪等多种任务需求并且效果良好,具备实际意义。
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