欠驱动微型无人艇的航迹跟踪方法研究

Unmanned surface vehicles (USV) control technologies are becoming a hot research ropics in international marine exploitation and security field. At present, many control methods have some problems, such as the dependence on mathematical model, control law is complex, poor robustness etc., which has seriously hindered its application in engineering.This project aims to the trajectory tracking problem of underactuated micro unmanned surface vehicles in the complex marine environment. In full consideration of the inherent constraints of micro USV such as underactuated and maneuverability, disturbance of perception, and uncertain disturbance, this project will intensively carry out theoretic research on information processing, guidance method, and motion control of the micro USV trajectory tracking problem. Specifically, the following three key technical problems will be studied.. Firstly, adaptive data filtering and enhancement problems of motion information based on the unscented Kalman filter theory will be developed in detail. Secondly, based on robust control and Lyapunov stability analysis method, the robust guidance strategy for trajectory tracking of micro USV will be studied. Finally, based on model-free adaptive control (MFAC)theory, an adaptive motion control method of the underactuated micro USV in complex marine environment will be research. The control system stability of the micro USV with uncertainties infuluence will be deeply analyzed, and a disturbance compensation approach will be proposed. On the basis of the above research, this project will design a semi-physical simulation system of micro USV, and simulation experiment of typical trajectory tracking task will be carry out to verify the feasibility of proposed methods. In order to promote to slove the trajectory tracking problem of underactuated USV in the complex marine environment.

随着海洋开发与安全的发展，无人艇(USV)控制技术已成为国际研究热点。目前许多控制方法存在或者依赖数学模型、或控制律复杂、或鲁棒性差等问题，严重阻碍其工程应用。本项目针对复杂海洋环境下欠驱动微型无人艇的航迹跟踪问题，充分考虑到微型USV的欠驱动性、机动性等固有约束、感知受限特性以及不确定扰动的影响，深入开展微型USV航迹跟踪问题在信息处理、制导方法、运动控制方面的理论研究。首先，基于不敏卡尔曼滤波方法，探讨感知受限下微型USV的运动信息滤波与增强问题。其次，基于鲁棒控制和Lyapunov稳定性分析方法，研究适于微型USV航迹跟踪的鲁棒制导律。最后，基于无模型自适应控制，研究复杂海洋环境中欠驱动微型USV的自适应运动控制方法；并分析不确定扰动下控制系统的稳定性，提出扰动补偿方案。同时设计无人艇半实物仿真系统，开展对比试验以检验研究方法的可行性。促进解决欠驱动微型USV的航迹跟踪问题。

随着海洋开发与安全的发展，无人艇(Unmanned surface vehicles, USVs)控制技术已成为国际研究热点。无人艇在海洋环境中执行的海图绘制、海洋观测、通信中继、情报收集等一类使命任务，在理论上可归结为无人艇跟踪控制问题，它属于一类典型的非线性系统控制问题。该方法研究是无人艇完成使命任务的重要保障，因此本项目研究具有重要理论意义和工程价值。.目前，许多控制方法存在或者依赖数学模型、或控制律复杂、或鲁棒性差等问题，严重阻碍其工程应用。本项目针对复杂海洋环境下欠驱动无人艇的跟踪控制问题，充分考虑到小型无人艇的欠驱动性、机动性等固有约束、感知受限特性以及不确定扰动的影响，深入开展小型无人艇跟踪控制问题在数据滤波、制导方法、跟踪控制方面的理论研究。.首先，基于无迹卡尔曼滤波方法，探讨了感知受限下小型无人艇的运动数据滤波问题。然后，在动力学层次上，基于无模型自适应控制（Model Free Adaptive Control, MFAC）理论，创新性地提出了复杂海洋环境中小型无人艇的自适应运动控制方法，完成闭环控制系统稳定性的理论分析；并在运动学层次上，基于导弹制导思想研究了适于小型无人艇跟踪控制的制导律，进而实现其跟踪控制。最后，研制出无人艇仿真平台和“海豚-Ⅰ”号小型无人艇原理样机，通过仿真、水池和外场对比试验，检验研究方法的可行性和实用性，促进解决欠驱动无人艇的跟踪控制问题。.本项目相关研究成果已发表学术论文20篇（其中SCI源论文8篇、EI源论文12篇），被《IEEE Journal of Oceanic Engineering》、《Ocean Engineering》、《Applied Soft Computing》等领域内顶级期刊所引用。2015-2017年项目执行期间，研究成果被国内外同行引用100余次（CNKI）、引用40余次（Scopus）、30余次（Web of Science）；在无人艇控制技术领域，受理发明专利3项、获得软件著作权登记5项，该项目研究在理论与实际两方面，有力地促进了无人艇控制技术的发展。