無人水面船的路徑規(guī)劃與跟蹤控制研究.pdf

1、無人水面船(Unmanned Surface Vehicle, USV)作為水上機(jī)器人的一種。由于其續(xù)航能力強(qiáng)、智能化以及多任務(wù)等優(yōu)勢(shì)，使得它能夠在如勘探石油、氣象監(jiān)測(cè)、運(yùn)輸?shù)榷鄠€(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。尤其在惡劣的工作環(huán)境下，USV扮演著其他船舶無可替代的角色，因此USV在水上作業(yè)中的諸多優(yōu)越性使得它被廣泛的應(yīng)用在軍事與民用的各個(gè)領(lǐng)域。本課題以欠驅(qū)動(dòng)無人水面船為對(duì)象，對(duì)其路徑規(guī)劃和軌跡跟蹤問題開展了深入地研究，開展了USV智能跟蹤控制和路

2、徑規(guī)劃的研究，主要內(nèi)容如下：
　　本文首先建立起六自由度和三自由度的USV運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型。分析了剛體運(yùn)動(dòng)模型、水動(dòng)力與力矩模型、恢復(fù)力與力矩模型、推進(jìn)器模型；建立了六自由度的USV動(dòng)力學(xué)模型，根據(jù)六自由度模型推導(dǎo)出欠驅(qū)動(dòng)水面船舶運(yùn)動(dòng)的三自由度運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型。然后對(duì)船舶模型進(jìn)行直航和定?；剞D(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為后文的設(shè)計(jì)和研究奠定了基礎(chǔ)。其次，為保證USV的安全航行，利用人工勢(shì)場(chǎng)法對(duì)USV進(jìn)行路徑規(guī)劃設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中，一方面改

3、進(jìn)了斥力勢(shì)場(chǎng)函數(shù)，克服傳統(tǒng)人工勢(shì)場(chǎng)法在障礙物附近點(diǎn)無法到達(dá)目標(biāo)的缺陷；另一方面在引力勢(shì)場(chǎng)中加入旋轉(zhuǎn)因子，避免無人水面船陷入局部最小點(diǎn)。最后，對(duì)于欠驅(qū)動(dòng)USV，設(shè)計(jì)了一種基于神經(jīng)動(dòng)態(tài)模型的反步跟蹤控制方法。首先分析了神經(jīng)元的工作原理并建立了神經(jīng)動(dòng)態(tài)模型。然后介紹 Lyapunov的穩(wěn)定性原理和反步法基本原理。并且基于神經(jīng)元模型，將USV的虛擬控制量與動(dòng)態(tài)神經(jīng)模型相結(jié)合，簡(jiǎn)化了求導(dǎo)運(yùn)算。設(shè)計(jì)了新型的軌跡跟蹤控制器。對(duì)所設(shè)計(jì)的基于神經(jīng)動(dòng)態(tài)模型