基于非對(duì)稱模型的欠驅(qū)動(dòng)USV運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)研究.pdf

1、水面無人艇（簡(jiǎn)稱USV）在軍事應(yīng)用、商業(yè)開發(fā)、科學(xué)考察等方面表現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景和巨大的商業(yè)價(jià)值，近年來備受世界各國(guó)研究人員的關(guān)注和重視；運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是USV研制的核心內(nèi)容之一，良好的運(yùn)動(dòng)控制性能是USV完成各項(xiàng)任務(wù)使命的最基本前提；由于不含側(cè)推進(jìn)器，導(dǎo)致USV系統(tǒng)成為典型的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和二階非完整約束系統(tǒng)，對(duì)欠驅(qū)動(dòng)USV運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的研究，既可為USV運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供可靠的技術(shù)參考，又將促進(jìn)和推動(dòng)欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)理論和非完整約束系統(tǒng)

2、理論的發(fā)展。
　　在標(biāo)準(zhǔn)的船舶空間六自由度運(yùn)動(dòng)模型基礎(chǔ)上，考慮USV的欠驅(qū)動(dòng)特性和模型前后不對(duì)稱特性，建立了非完全對(duì)稱的欠驅(qū)動(dòng)USV運(yùn)動(dòng)模型；考慮USV高速航行時(shí)系統(tǒng)阻尼系數(shù)與速度存在復(fù)雜的耦合關(guān)系，建立了非完全對(duì)稱的欠驅(qū)動(dòng)高速USV運(yùn)動(dòng)模型；以海流相對(duì)速度模型代替隨機(jī)干擾力模型，建立了海流干擾條件下非完全對(duì)稱的欠驅(qū)動(dòng)高速USV運(yùn)動(dòng)模型。
　　航速航向控制系統(tǒng)方面，主要研究了航速航向控制算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)：基于實(shí)驗(yàn)室于2003

3、年提出的具有開創(chuàng)性的S面運(yùn)動(dòng)控制算法，提出了一種自適應(yīng)專家S面運(yùn)動(dòng)控制算法，用于USV的航速航向控制，并通過大量的室內(nèi)水池和外場(chǎng)水池試驗(yàn)驗(yàn)證了算法的可靠性和優(yōu)越性。
　　針對(duì)欠驅(qū)動(dòng)USV的鎮(zhèn)定控制問題，基于級(jí)聯(lián)系統(tǒng)理論、非線性反步法以及Lyapunov穩(wěn)定性理論等，提出了一種非對(duì)稱模型下的欠驅(qū)動(dòng)USV鎮(zhèn)定控制方法；設(shè)計(jì)漂角極坐標(biāo)系作為USV的動(dòng)坐標(biāo)系，將漂角、艏向角與極角融合處理，提出了一種極坐標(biāo)系下的非對(duì)稱欠驅(qū)動(dòng)USV分塊反步法

4、鎮(zhèn)定控制方法；將用于高速飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的齊次性理論和平均系統(tǒng)理論，引入到高速USV鎮(zhèn)定控制問題研究當(dāng)中，提出了一種具有魯棒性的非對(duì)稱欠驅(qū)動(dòng)高速USV指數(shù)鎮(zhèn)定控制方法；以海流相對(duì)速度模型代替隨機(jī)干擾力模型，設(shè)計(jì)了一種海流干擾條件下的非對(duì)稱欠驅(qū)動(dòng)USV鎮(zhèn)定控制器，推導(dǎo)了海流流向角與目標(biāo)艏向角限定條件，分析了不同海流流向和流速對(duì)鎮(zhèn)定控制器的影響，研究了USV模型非對(duì)稱性和海流干擾影響在鎮(zhèn)定控制過程中考慮的必要性問題。
　　針對(duì)欠驅(qū)動(dòng)

5、USV的路徑跟隨控制問題，基于非線性反步法、視線導(dǎo)向算法以及拉塞爾不變?cè)淼?，提出了一種非對(duì)稱模型下的欠驅(qū)動(dòng)USV路徑跟隨控制方法，分析了模型非對(duì)稱性因素在USV路徑跟隨控制中考慮的必要性；考慮USV高速航行時(shí)系統(tǒng)阻尼系數(shù)與速度存在復(fù)雜的耦合關(guān)系，基于改進(jìn)的視線導(dǎo)向算法，在Serret-Frenet坐標(biāo)系下設(shè)計(jì)了一種非對(duì)稱欠驅(qū)動(dòng)高速USV的路徑跟隨控制器，研究了隨高航速變化的阻尼系數(shù)對(duì)USV路徑跟隨運(yùn)動(dòng)控制性能的影響；以海流相對(duì)流速模型

6、代替?zhèn)鹘y(tǒng)干擾力模型，提出了一種海流干擾條件下的非對(duì)稱欠驅(qū)動(dòng)USV路徑跟隨控制方法，研究了海流干擾影響在USV路徑跟隨控制過程中考慮的必要性問題。
　　針對(duì)欠驅(qū)動(dòng)USV的軌跡跟蹤控制問題，考慮USV模型非完全對(duì)稱情況下阻尼系數(shù)矩陣和慣性系數(shù)矩陣非對(duì)角線元素存在非零項(xiàng)，且高速航行過程中阻尼系數(shù)與航速存在復(fù)雜耦合關(guān)系，通過兩次全局微分同胚變換簡(jiǎn)化了USV軌跡跟蹤系統(tǒng)模型，基于級(jí)聯(lián)系統(tǒng)理論和Lyapunov直接法，提出了一種非對(duì)稱模型下的

7、欠驅(qū)動(dòng)高速USV軌跡跟蹤控制方法，實(shí)現(xiàn)了任意參考軌跡的跟蹤控制，同時(shí)包含原點(diǎn)的鎮(zhèn)定控制，解決了軌跡跟蹤控制過程中的角速度持續(xù)激勵(lì)問題；以海流相對(duì)流速模型代替?zhèn)鹘y(tǒng)干擾力模型，提出了一種海流干擾條件下的非對(duì)稱欠驅(qū)動(dòng)USV軌跡跟蹤控制方法，分析了不同海流流向和流速對(duì)軌跡跟蹤控制器的影響，研究了海流干擾影響在USV軌跡跟蹤控制過程中考慮的必要性問題。
　　基于非完全對(duì)稱的欠驅(qū)動(dòng)USV運(yùn)動(dòng)模型，考慮USV的高航速特性和存在海流干擾影響等問題