自然能驱动无人艇的高抗扰控制方法研究

The natural energy driven unmanned surface vehicle (USV) has many advantages like natural energy online supplement, long-endurance, autonomous operation. It provides a novel idea for longtime, large scale and autonomous marine environment mobile observation. It is expected to prompt the “Transparent Ocean Strategy” and marine scientific research. Because of the unique driving mode, low speed and sensitiveness to environmental disturbances of natural energy driven USV, it is difficult to defense disturbances and realize stable control under harsh conditions. Focus on the highly anti-disturbance control problem, we plan to discuss theories about natural energy online modeling, dynamic analysis, motion control of weak maneuvering vehicle, mechanism analysis and compensation of disturbances based on Data-driven control concept, in which the influences of unique natural energy driving mode, dynamic characteristics, energy restrictions and environmental disturbances will be fully taken into account. Specifically, research contents includes: (1) dynamic analysis method, (2) highly anti-disturbance speed and course control method of weak maneuvering vehicle under large disturbances, (3) highly anti-disturbance trajectory tracking methods of weak maneuvering vehicle under severe sea states, (4) prototype verification experimental method of natural energy driven unmanned USV. This project will help solve the dynamic analysis and motion control difficulties of natural energy driven unmanned USV.

自然能驱动无人艇具有自然能源在线补给、长航时和自主作业等优点，为解决长期、广域和自主的海洋移动观测问题提供了一种新的思路和手段，有望推动“透明海洋”建设与海洋科学研究。由于自然能驱动无人艇的驱动模式独特、航速较低、环境扰动力影响显著，属于一类特殊的大扰动下弱机动控制系统，如何在恶劣环境扰动下实现抗扰动、稳定控制是一个科学难题。本项目针对自然能驱动无人艇的高抗扰控制问题，充分考虑到独特自然能驱动模式、动力学特性、能源约束以及环境扰动力等影响，基于“数据导向”控制理念，从自然能在线建模、动力学分析、弱机动体运动控制、扰动机理分析与补偿等角度开展理论方法研究，包括：（1）自然能驱动无人艇的动力学分析方法，（2）大扰动下弱机动体的高抗扰航速航向控制方法，（3）恶劣海况中弱机动体的高抗扰航迹跟踪方法，（4）自然能驱动无人艇的原理验证试验研究，从而促进解决自然能驱动无人艇的动力学分析与控制难题。

聚焦海洋环境中自然能驱动无人艇（NSV）的动力学分析与控制难题、长航时自主航行需要，分析独特自然能驱动模式、动力学特性、能源约束以及环境扰动力等影响，从动力学、航速航向、航迹跟踪、集成验证四个维度，系统深入探讨了NSV的高抗扰控制问题，提出了总体设计方案及高抗扰控制策略，并完成仿真、海上试验验证；有力推动海洋能驱动机器人技术发展，丰富和完善了MFAC理论，并促进其机器人领域应用。主要结论和创新点是：.（1）提出了NSV的动力学建模与分析方法。针对系统独特的自然能驱动模式及自然能特性，创新设计出风/光/波自然能混合驱动NSV总体技术方案；结合历史大尺度及实时局部环境数据，探讨全局/局部海洋环境自然能分布数学模型构建、在线更新与预报方法；建立海洋环境中系统动力学数学模型，有效描述自然能驱动无人艇的动力学特性。.（2）提出了大扰动下弱机动体的高抗扰航速航向控制算法。分析波浪力时变不可控输入对航速的影响特性，提出融合TD滤波的变权重因子CFDL-MFAC航速控制算法；同时提出输入输出融合型IOIF-CFDL-MFAC航向控制算法，在原理上克服常规控制方法对数学模型的依赖，有效提升高抗扰运动控制能力。.（3）提出了恶劣海况中弱机动体的高抗扰航迹跟踪算法。考虑多约束条件与自然能分布模型，针对单一能源、多能耦合、静态/动态多能环境等场景，提出了NSV的能源最优在线全局路径规划算法，提升能源捕获效益与续航力；设计改进虚拟横向偏差LOS制导算法，结合状态观测器在线估计环境干扰，提出融合扰动力前馈的航迹跟踪控制结构与方法，提升航迹精度与动态环境适应性。.（4）构建了原理样机并完成海上试验验证。创新性试制出“驭浪者”号两型NSV原理样机，通过数值、水池及海上原理性试验，验证上述研究方法的有效性和工程实用性。.本项目研究成果为海洋科学研究、水文气象观测、情报侦察等国家以及行业需求，提供了一种新的技术手段和装备，可望支撑深远海科学研究、建设“数字海洋”及维护海洋安全。