欠驱动水面无人艇的航迹跟踪控制研究

【摘要】：水面高速无人艇是典型的欠驱动系统,同时又存在高度非线性、控制输入的约束以及外界干扰等限制条件。对欠驱动水面无人艇的航迹跟踪控制研究,是当前无人水面艇运动控制领域的主流研究方向,同时,这项研究能够为无人艇的的精确攻击以及快速作战提供有利信息,具有重要的实际应用价值。 本文从运动学和动力学特性方面分别介绍了三自由度水面无人艇的动态特性,针对系统中存在的不确定性和外界干扰,通过弱化复杂的条件,建立了欠驱动水面无人艇的运动学和动力学方程模型。简要介绍基于Lyapunov的稳定性理论和相关的稳定性定理,用Lyapunov直接法分析系统稳定性,关键是构造一个合适的Lyapunov函数,而Lyapunov直接法本身并没有提供构造Lyapunov函数的一般方法,利用Lyapunov方法分析稳定性,或用来镇定和综合都欠缺构造性,因此文中提出了反步法,将一个复杂的非线性系统分解成不超过系统阶数的两个或多个小系统,然后为各个子系统设计李亚普诺夫函数(又称V函数)和中间虚拟控制量,从而能够一直后推到整个系统,将这些子系统集成起来完成控制律的设计实现镇定和跟踪控制。基于反步法对三自由度水面无人艇的模型进行了稳定性分析和余弦轨迹跟踪。提出了动态模糊神经网络的自适应控制方法,基于三自由度水面无人艇的模型进行了余弦轨迹跟踪。仿真结果证明了简化的无人艇模型系统是全局一致渐近稳定的。在镇定模型的基础上,基于反步法和动态模糊神经网络分别设计航向跟踪控制器,都在MATLAB/Simulink环境中进行余弦轨迹跟踪仿真实验,仿真结果表明这两种控制器都能实现跟踪目标。