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无人水面艇路径跟踪控制研究

张忠良  
【摘要】:无人水面艇(Unmanned Surface Vessel,USV),其机动灵活、行动隐蔽、不易遭敌攻击,可以完成许多人类无法完成或者危险性高的任务,在军事及科学考察中用途广泛。对于无人艇操纵系统内存在的非线性、欠驱动的特点、外界海浪等的干扰、以及模型参数不确定性,提高无人水面艇路径跟踪的性能是当前研究的热点。本文通过两种控制算法模型预测控制以及Backstepping分别进行无人艇的路径跟踪控制研究;并且根据嵌入式Linux编程与模型的可视化技术,利用相关建模与编程软件,编写基于嵌入式ARM控制器无人水面艇的路径跟踪视景仿真程序。该软件可以逼真的模拟无人水面艇的运动控制效果,实时的显示各个控制量的曲线,为研究无人水面艇航迹控制提供了逼真的仿真效果。首先,完成了在只考虑艏摇、横荡以及纵荡这三个自由度的无人水面艇平面运动数学模型与响应数学模型的建立,给定了一个简单舵机模型,并且给出了风、浪、流等相关干扰模型,为后续无人水面艇航向保持与路径跟踪控制律的设计及实验分析做基础。然后,先引入模型预测控制的思想,并利用无人水面艇的相关模型设计航向预测控制律,完成了无人艇在无干扰和有干扰的航向控制仿真实验;在此基础上通过利用框架Serret-Frenet来简化了无人艇的路径跟踪数学模型,给出了无人艇路径跟踪模型预测控制律,并结合LOS导引律完成了路径跟踪仿真;同时还尝试建立了反步法直线路径跟踪控制器并进行数字仿真验证。最后,通过结合MultiGenCreator/Vega,VC++以及基于嵌入式ARM(Linux下)的预测控制系统来完成无人水面艇路径跟踪视景仿真系统设计,然后进行系统调试运行,展示了无人艇路径跟踪的视景仿真实验,结果说明,所设计的软件可以形象、逼真的模拟各种情况,可以得到满意的仿真效果。


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