无人艇操纵性与智能控制技术研究

【摘要】：水面无人艇是一种能够在实际海洋环境下安全自主航行,并完成各种任务的海上智能运动平台。与有人驾驶的舰艇相比,无人艇具有许多突出的战术技术特点,它体积小隐蔽性好、航速高、机动灵活、无人员伤亡危险等,在未来非对称立体战争中,无人艇将完成诸如扫雷、电子信息战、情报侦察与监视(ISR)、反恐、精确打击和武力保护等特殊任务；在恶劣海况(如海上大风、巨浪、热带风暴、海雾等)的探测研究和预警预报方面,无人艇将发挥其重要作用,因而越来越多地受到了世界各国的重视。 在高度动态和不可预测的海洋环境里,为了达到高度自治,无人艇需要灵活可靠的操纵性能、精确快速的控制能力来确保其他船只与自身的安全；同时,从加强无人艇的自适应性与智能性,改善无人艇工作性能的观点来看,其控制系统还应该具备良好的自适应、自学能力功能,从而需要引入人工智能来设计无人艇的智能控制系统。 本论文以“翔龙号”无人艇为研究对象,首先通过分析高速滑行艇的操纵运动机理,并结合实艇试验数据辨识的方法,建立了无人艇五自由度的操纵性数学模型；其次,利用最小二乘支持向量机的回归原理,根据结构风险最小化准则的学习原理,对小样本的无人艇Z型试验数据引入线性核函数,通过分步辨识的方法,辨识了无人艇艏向响应方程中的一、二阶线性与非线性参数,并验证了二阶非线性响应方程具有很好泛化性能；然后,在该无人艇操纵运动模型的基础上,把S面控制算法和模型参考自适应规律的设计原理相结合,根据李雅普诺夫稳定性理论设计了基于参考模型的S面自适应艏向控制器,并验证了该控制算法具有较好的抗模型参数变化和外界干扰的能力；之后,把仿人智能控制的在线特征辨识、启发式直觉推理逻辑和多模态控制的优点与人类小脑的协调运动机理相结合,提出了基于小脑模型的仿人智能协调控制策略,设计了基于发动机、喷水推进器喷嘴和倒车斗协调运动的无人艇基础运动控制策略,并根据人体运动控制系统结构的特点,提出一种仿人智能的混合式分层递阶结构,并利用智能图式的学习进化原理,在实践中不断完善和改进,则形成一种混合仿人智能图式的体系结构；最后,通过无人艇的定艏向、定航线等海上试验验证了该仿人智能协调控制方法和基于混合仿人智能图式体系结构的无人艇自主驾控系统的可靠性和工程实用性。