欠驱动水面船舶的轨迹跟踪模型预测控制器
欠驱动船舶简捷鲁棒自适应路径跟踪控制_张国庆
4］ 论述了欠驱动船舶不能满足 Brock系统。文献［ ［5 ］ ett 条件 的特性， 其控制器设计不能由任何连续时 不变的控制律实现。 尽管如此， 近年来不少学者在 路径 跟 踪 控 制 方 面 已 取 得 不 少 有 益 的 研 究 结 ［610 ］ 。文献［ 6］基于自适应 Backstepping 方法提 果 出了一种连续时不变的控制律， 实现了船舶位置指 数渐近稳定的控制结果， 然而该控制率未考虑对船 舶首向角的控制导致船舶在设定路径上打转 ； 文献 ［ 7］ 通过假设船舶首摇角速率为非零值来满足“连 续激励 （ persistent excitation，PE ） ” 的假设条件， 然 后利用 Lyapunov 直接法设计了 2 种较为完善的连 续时变控制律。 该算法中“首摇角速率为非零 ” 的 假设要求所跟踪的参考轨迹不能为直线 ； 为了解决 8］深入研究欠驱动船舶动态特性 这一问题， 文献［
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问题描述
欠驱动水面船舶运动数学模型
· ［16 ］
为
x = ucos ψ － vsin ψ · y = usin ψ + vcos ψ · ψ =r · － 1 u = f u（ v ） + m τ u + d wu u － · v = f v（ v ） + d wv － · 1 r = f r（ v ） + τ r + d wr mr 其中：
0303． 0826． 收稿日期：2013网络出版时间：2014基金项目：国家自然科学基金资助项目（ 51109020 ） ； 优博论文培育资 助项目（ 2014YB01 ） ； 中央高校基本科研业务费基金资助 项目（ 01780134 ； 3132014026 ） ． ） ，男，博士研究生； 作者简介：张国庆（ 1987） ，男，教授，博士生导师． 张显库（ 1968Email： zhangxk@ dlmu． edu． cn． 通信作者：张显库，
欠驱动水面船舶航迹自抗扰控制研究
欠驱动水面船舶航迹自抗扰控制研究一、概述随着海洋资源的不断开发和利用，水面船舶在军事、民用等领域的应用越来越广泛。
对船舶的航迹控制精度和稳定性要求也日益提高。
传统的航迹控制方法往往受到风浪、水流等环境干扰的影响，导致控制效果不佳。
研究一种能够自适应调整、抗干扰能力强的航迹控制方法具有重要的现实意义。
欠驱动水面船舶作为一种特殊类型的船舶，其控制系统设计更具挑战性。
由于欠驱动系统具有较少的控制输入，但却需要实现复杂的控制目标，因此如何充分利用有限的控制资源，实现高精度的航迹控制，是欠驱动水面船舶控制领域的重要研究方向。
自抗扰控制作为一种新兴的控制方法，具有对不确定性干扰的强鲁棒性和自适应能力。
将自抗扰控制应用于欠驱动水面船舶的航迹控制中，能够有效提高船舶在复杂环境下的控制性能。
本文针对欠驱动水面船舶的航迹自抗扰控制进行研究，旨在提出一种高效、稳定的控制策略，为船舶的自主航行提供技术支持。
本文首先介绍了欠驱动水面船舶的航迹控制问题及其研究现状，然后详细阐述了自抗扰控制的基本原理和关键技术。
在此基础上，本文提出了一种基于自抗扰控制的欠驱动水面船舶航迹控制策略，并通过仿真实验验证了其有效性。
本文总结了研究成果，并展望了未来的研究方向。
1. 欠驱动水面船舶的定义与特点欠驱动水面船舶，是指在船舶的运动控制过程中，其系统控制输入量的个数少于船舶自由度维数的特殊类型水面船舶。
就是某些运动自由度上缺乏直接对应的驱动机构，需要通过其他自由度的控制进行间接调控。
这种船舶在海洋运输、渔业捕捞、军事侦察等领域均有广泛的应用。
欠驱动水面船舶的特点显著，首先体现在其控制输入维数的不足。
与全驱动船舶相比，欠驱动船舶无法通过直接的方式对所有自由度进行控制，而必须依赖系统内部的耦合作用实现间接控制。
通过调整船舶的航向或速度，实现对船舶位置的间接控制。
这种控制方式增加了控制的复杂性，但同时也为船舶设计带来了灵活性，使得欠驱动船舶在结构和成本上更具优势。
欠驱动水下无人航行器航迹跟踪滑模控制系统设计
欠驱动水下无人航行器航迹跟踪滑模控制系统设计张艺;余红英;刘琛【摘要】针对欠驱动水下无人航行器(Unmanned Underwater Vehicle,UUV)与外界复杂水文环境交互面临的特殊航迹跟踪的问题,研究了UUV航迹跟踪控制算法.基于UUV水平面动力学模型,设计了一种新型双闭环自适应航迹跟踪滑模控制系统,该系统能有效抑制外界干扰和不确定性的影响.首先,外环控制器中产生角度指令并传递给内环系统,外环产生的误差通过内环控制消除,同时设计内环控制律,在不需要惯性矩阵模型确切信息的情况下,通过姿态控制实现对外环产生的角度指令的跟踪.通过仿真及实际测试,均表明该控制方法能够实现对UUV精确的航迹跟踪.【期刊名称】《实验室研究与探索》【年(卷),期】2018(037)008【总页数】5页(P75-79)【关键词】位置控制器;姿态控制器;水下无人航行器;滑模控制【作者】张艺;余红英;刘琛【作者单位】中北大学电气与控制工程学院,太原030051;中北大学电气与控制工程学院,太原030051;中北大学电气与控制工程学院,太原030051【正文语种】中文【中图分类】TP2490 引言随着科学技术的发展，欠驱动UUV广泛应用于汇集海战场情报和海底区域作业中，其具备搜集海上水文、气象信息和辅助通信的使命。
轨迹跟踪在UUV作业中也扮演着无可取代的作用。
由于UUV具有的动力学复杂、输入输出非线性化、极易不稳定和欠驱动的特点，使得其在水下作业时极易受到外界复杂水文环境的影响，很难获得欠驱动UUV精准的动力学模型，因此进行欠驱动UUV航迹跟踪控制系统的设计十分必要[1-2]。
目前，关于UUV航迹跟踪控制已经有很多线性和非线性的系统控制策略和参数辨识方案，如自适应控制、智能PID、反演、H∞、模糊逻辑等控制方法，而其中航迹滑模跟踪控制可以高效抑制由于参数改变和外部扰动造成的不确定性影响，使系统实现对UUV三维轨迹的高精度跟踪，该控制器设计也适用于控制UUV非线性系统。
欠驱动USV航迹跟踪控制技术
题目：欠驱动USV航迹跟踪控制技术学号：姓名：联系方式：一、概述水面无人艇（Unmanned Surface Vessel, USV）是一种具有自主规划、自主航行能力，并可以自主方式或人工干预的方式完成环境信息感知、目标探测等任务的小型水面舰艇。
是由无人机UA V、地面机器人UGV、水下无人航行器UUV 以及水面无人艇组成的无人系统的重要组成部分。
各种无人系统共同的鲜明特点是系列化、模块化、分布式、网络化以及协调能力。
欠驱动的意思是指系统的独立控制输入的数量小于与系统本身需要控制的自由度的特性。
大多数水面船，水下潜器，航空航天器(包括直升机、航天飞机等)，基准系统(包括倒立摆、球棒系统、柔性机械臂)，非完整移动机器人(包括仿生机器人)以及交通运载工具(包括机车、吊车)都是典型的欠驱动特性系统。
无人艇的控制系统具有欠驱动特性。
无人艇的推进主要依靠安装于艇体尾部的喷水推进器，它和其他推进器的不同之处在于利用喷水泵喷出水流的反作用力来推动船舶前进，并通过操舵倒航设备分配和改变喷流方向来实现操纵控制。
航迹控制需要同时控制船舶的位置和航向，无人艇控制系统只有2个控制输入，需要同时控制无人艇平面运动的3个自由度，独立控制输入少于其自由度，属于典型的欠驱动系统。
无人艇的航迹跟踪控制就是指在艇体控制系统的驱动控制下，使艇从一定的初始位置航行进入预先规划好的航线上，始终保持稳定并能够沿着规划的航线抵达目的地。
目前，航迹跟踪控制是运动控制领域的主要研究热点之一，同时，研究无人艇的航迹跟踪控制能够为无人艇的精确攻击和快速作战提供有利信息，具有重要的实际应用价值。
随着作战方式的变革，无人作战系统成为未来军事武器装备发展的主流趋势并得到了世界各国的重视，如今己在陆海空等多维领域取得了实质性的进展。
如在空中领域发展的无人飞行器，在地面发展的无人车，在水下发展的无人潜航器以及在水面发展的无人艇等等。
无人作战平台成为未来战争中监视、侦查、探测、情报收集、准确打击、武装保护、执行特殊作战任务、实现有生力量零伤亡的重要手段。
欠驱动水面船舶的非线性滑模轨迹跟踪控制
ｔｒｓｉｓ ｏ ｎ ｅ ａ ｔ ａｅ ｕ ｆ ｃ ｅ ｓ ｌ ，ｔ ｅ ｅ ｗｅ ｅ ｎ ｉ ｅｔ ｒ ｓｅ ｓｉ ｅ ｓ ｙ ｄ ｒ ｃ ｉｎ，ａ ｄ ｉ ｒ ｅ ｏ ｔ ｌ ｅ ｉｔ ｆｕ ｄ ｒ ｃ ｕ ｔ ｄ ｓ ｒ ｅ ｖ ｓｅ ｓ ｈ ｒ ｒ ｏ ｓ ｈ ｕ ｔｒ ｎ ｔ ｗａ ｉｅ ｔ ｃ ａ ｄ ｈ ｏ ｎ ｎ ｏ ｄ ｒｔ ｃ ｎ ｒ ｏ ｏ
一
（） ４
式中 ：
和 分 别 表 示 欠 驱 动 船 舶 的期 望 位 置
ｃ ｏｍ ；
程 意义 已成 为相 关 学 者关 注 的 热 点 … ； 驱 动水 面 欠
船 舶轨 迹跟 踪 中给定 的参 考轨 迹一 般可 以表 示为 时 间的 函数 ， 即在 指 定 时 间 到 达 指 定 位 置 ； 驱 动 欠 船 舶 的轨迹 跟踪 控 制 对 参考 模 型 要 求 很 高 ， 控制 器
Ｄ ｌ ｎＪ ｏｏ ｇＵ ｉｅ ｉ ， ａ ａ １ ０ ６ Ｃ ｉａ ａｉ ｉ ｔ ｎｖｒ ｔ Ｄ ｌ ｎ １ ６ ２ ， ｈｎ ） ａ ａ ｎ ｓｙ ｉ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｃｏ ｓｄ ｒｎ ｈｅ ｍｏ ｅ ｒ ｍｅ ｒｃ ｕ ｃ ｒａ ｎ ｉｓ ａ ｄ ｔｍｅ ｖ ｒ ｉ ｇ ｄ ｓｕ ｂ ｎ ｅ ｎ ｕ ｅ ｖ ｓ ｓ ｒ ｃ ： ｎ ｉ ｅ ｇ ｔ ｄ ｌｐａａ ｔ ｎ ｅｔ ｉ ｔｅ ｎ ｉ — ａｙ ｎ ｉｔｒ ａ ｃ ｓ ｉ ｄ ｃ ｄ ｂｙ ｗａ ｅ ，ｗｉ ｄ， ｉ ｉ ｎ
ａ ｎ ｖ ｌ ｎ ｎ ｉ ｅ ｒ ｓｉ ｉ ｇ ｍｏ ｅ ｃ ｎｒ ｌ ｌｗ ｓ ｄ ｓｇ ｅ ｓｎ ｌ ｉ ｇ ｍｏ ｅ ｔ ｃ ｎ ｑ ｅ ，ｉ ｉ ｗ ｏ ｈ ｌ ｉ ｇ ｏ ｅ ｏ ｌ ａ ｌ ｎ ｄ ｏ ｔ ａ ｗａ ｅ ｉｎ ｄ ｕ ｉ ｇ ｓｉ ｎ ｄ ｅ ｈ ｉ ｕ ｓ ｎ ｖ ｅ ｆ ｔ ｅ ｓｉ ｎ ｎ ｄ ｏ ｄ ｄ
有横摇约束的欠驱动船舶航迹跟踪预测控制
G0(+,)/,1()*$/0*&%*05/0-,63/2-/3%*&&*:,$6 *%’$+(0-)/’-/(+ 5’0%-)(1(55(&5:,/30*&&)*$5/0-,$/5
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摘&要!针对欠驱动水面船舶在直线航迹跟踪中受到强烈的风$浪$流时变干扰影响时出现大幅度的摇荡运动的情 况!采用自适应卡尔曼状态估计和鲁棒预测控制!提出一种具有横摇角约束的控制器综合设计方法" 建立时变干 扰作用下的仿射切换系统模型及测量模型%基于扩展状态的自适应卡尔曼滤波方法!对船舶模型的状态和随机干 扰力矩进行估计!并对估计的干扰力矩进行前馈补偿" 考虑船舶的真实状态与卡尔曼观测状态之间存在观测误 差!将控制器与观测器综合考虑!提出一种基于状态观测器和 /# G/m 混合性能指标的直接约束鲁棒预测控制!在性 能指标与控制器设计中直接利用观测状态%将状态约束$鲁棒稳定性约束$性能指标转化为 gch& 线性矩阵不等式’ 的凸优化问题" 理论证明了所设计闭环系统的一致有界稳定性!并且通过仿真验证了控制器能实现直线航迹鲁棒 跟踪!在保证横摇角在约束范围内!对干扰有着有效的抑制作用" 关键词!欠驱动船舶% 直线航迹跟踪% 横摇角约束% 自适应卡尔曼滤波% 混合 /# G/m 预测控制 !"##$"F$$%%" GHI4);#"$J$#"!% 网络出版地址!I88M# GGNNN;O+P1;+48GPOQ7GR48,1-G#LF$L%";);#"$@$""%;$K#!;"$";I8Q中图分类号
ｘ ＝ Ｕ Ｏ￣ ＣＳ ／一ｖｉ￣ ＋ｖｃ ｓ ｓｎ ｏｏ０
用下 ， 船舶 能从 任 意初 始 位 置 驶 入 预先 设 定 好 的
参考 航行路 径 ， 并沿此 路径 最终 到达 目的地 ， 参 该
＝ ｕｉ０ ＋ＵＯ￣ ｓ ｎ ＣＳ ［ Ｉ＋Ｖｓ ０ ｏｉ ｎ
＝ ｒ
考航 行路径 与 时 间无 直 接 关 系 。欠 驱 动 船 舶 路径 跟踪 控制 系统具 有强 非线性 、 驱动 、 欠 容易 受 到外 界干 扰影 响 等特 点 ， 一 个 典 型 的非 线 性 控 是 制系 统 ； 其进 行 研究 有 助 于 解 决船 舶 在 复 杂 环 对 境 中的操纵 控制 、 自动 靠离 泊 、 上装 卸等 实 际问 海 题 。 目前 ， 关于 欠 驱 动船 舶 路 径 跟 踪控 制 的理论 研 究 已取一 定成 果 ４ ， 得欠 驱动 船 的跟 踪并 最 。 使
应 用解 析模 型预测 控制 与非线 性 观测器 联合 控 制 的 方 法 ＿ ， 过 推 导 整 理 ， 到 风 、 、 干 ６经 Ｊ 得 浪 流 扰下 的欠 驱动船 舶路 径跟 踪控制 律 。
与 分别为 点的单位法 向、 单位切 向向量 ； 沙 为 和 坐标 轴 之 间 的 角 度 ； ｕ 为船 舶 对 水
速度， Ｕ＝√ ； 为 ｕ 与 的夹角， ＝ ｕ＋
ａｃ ｎ ｖ／ 。 ｒｔ （ ．ｕ ） ａ
令 ： 一 ＋ ＝ ＋ ， 。 代表船舶路径 跟踪 的方 位误 差 ， 则欠驱 动船 舶路 径跟 踪误 差 ，
的运 动方 程为
ｆ ／ｉ 。 ＇ｏＯ＝ ／ ＋ ｉ ＝ａｎ ＋ａｓ ￣ ｓ Ｚ Ｏ ／ ￣ ｕ ｓ ２ ｃ ｎ
Ｓｒ ｔ ｒｎｔ ｅｒ ｅｅ 标架下进行研究 ， ｅＦ 通过引入重定义输 出将原单输 入多输 出控 制系统转 化为 单输入单 输 出控制 系
基于改进自适应积分视线制导方法的欠驱动无人水面艇路径跟踪控制
基于改进自适应积分视线制导方法的欠驱动无人水面艇路径跟踪控制作者：白一鸣刘磊韩新洁来源：《上海海事大学学报》2021年第04期摘要：为提高无人水面艇（unmanned surface vehicle， USV）对复杂海况的适应性，针对欠驱动USV的路径跟踪控制问题，设计基于改进的自适应积分视线（improved adaptive integral line-of-sight， IAILOS）制导方法和径向基神经网络（radial basis function neural network， RBFNN）的积分滑模路径跟踪控制器。
在IAILOS制导方法中，引入降阶的扩张状态观测器估计未知时变洋流速度，从而使得该制导方法不仅可以估计时变漂角，而且可以补偿未知时变洋流的扰动。
利用RBFNN的无限逼近特性来估计USV动力学模型中的不确定项和未知的外部环境干扰。
通过稳定性分析和仿真对比实验，验证了本文所设计的控制器的准确性和鲁棒性。
关键词：无人水面艇（USV）; 路径跟踪控制; 改进的自适应积分视线（IAILOS）制导方法; 径向基神经网络（RBFNN）; 滑模控制中图分类号： U664.82 文献标志码： AAbstract： To improve the adaptability of unmanned surface vehicles （USVs） to complex sea conditions， aiming at the path following control of underactuated USVs， an integral sliding-mode path following controller is designed based on the improved adaptive integral line-of-sight （IAILOS） guidance law and the radial basis neural network （RBFNN）. The reduced-order extended state observer is introduced to estimate the unknown time-varying ocean current velocity in the IAILOS guidance law， so that the guidance law can not only estimate the time-varying drift angle， but also compensate the disturbances of unknown time-varying ocean currents. The infinite approximation property of RBFNN is used to estimate the uncertain terms in the USV dynamic model and the unknown external environment disturbances. The accuracy and robustness of the controller are verified through the stability analysis and simulation comparison experiments.Key words： unmanned surface vehicle （USV）; path following control; improved adaptive integral line-of-sight （IAILOS） guidance law; radial basis function neural network （RBFNN）; sliding-mode control0 引言無人水面艇（unmanned surface vehicle， USV）的路径跟踪控制目标是控制USV跟踪几何平面内的一条理想的参数化路径，并且没有时间限制[1]。