海洋环境干扰下高速无人艇航迹跟踪齐次控制方法研究

Autonomous trajectory tracking ability is one of the most important guarantees for an unmanned surface vessel (USV) completes its missions and tasks. In order to simplify the design process of the USV’s trajectory tracking controller, the model asymmetry and the high-order velocities coupling in the damping coefficients are usually neglected in the motion modeling process. However, the high-order velocities coupling in the damping coefficients will have a great impact on the high speed USV system, so they cannot be ignored. And preliminary studies show that, considering the asymmetry of the USV model, the performance of the USV’s motion control system is improved. Draw on homogeneous control method which is commonly used in the field of aircraft motion control, and on the basis of the existing research, this project intend to explore the mathematical mechanism of how the homogeneous theory could decouple the complex highly nonlinear coupling terms in the USV system, and design a homogeneous trajectory tracking control method for high speed USV. An adaptive Takagi-Sugeno fuzzy disturbance compensation algorithm is proposed based on gradient descent method, in order to active compensation for complex marine environment disturbances. By carrying out comparative test, the effect, which comes from model asymmetry and high-order velocities coupling terms in the damping coefficient, on performance of the high speed USV’s trajectory tracking system, is studied. Project research results will help to enhance the autonomous trajectory tracking ability of high speed USV, and to promote the intelligent development of the high speed USV, and can also provide reference for other robot control system design.

自主航迹跟踪能力是无人艇完成各项任务使命的重要保障之一；为了简化航迹跟踪控制器设计，无人艇运动建模过程中通常会忽略模型不对称性和阻尼系数中高阶速度耦合项；但无人艇高速航行时，阻尼系数中高阶速度耦合项对系统影响较大而不可忽略；且初步研究表明，考虑模型不对称性可以改善无人艇运动控制系统性能。项目拟在现有研究基础上，借鉴飞行器运动控制领域常用的齐次控制方法，探索齐次理论解耦无人艇系统中复杂高度非线性耦合的数学机理，设计适用于高速无人艇的航迹跟踪齐次控制方法；提出一种基于梯度下降法优化的自适应Takagi-Sugeno模糊干扰补偿算法，实现对复杂海洋环境干扰的主动补偿；开展对比试验，研究模型非对称性和阻尼系数中高阶速度耦合项对高速无人艇航迹跟踪系统性能的影响规律。项目研究成果将有助于提升高速无人艇的自主航迹跟踪能力，促进高速无人艇的智能化发展，也可为其它机器人的控制系统设计提供参考。

项目针对海洋环境干扰下的欠驱动高速无人艇航迹跟踪控制方法展开了研究，系统的研究和分析了模型非对称性、阻尼系数高阶速度耦合项对高速无人艇自主航迹跟踪系统控制性能的影响，并提出了一种基于梯度下降法优化改进的自适应T-S模糊干扰控制方法。项目首先进行了高速无人艇的运动数学建模，借鉴传统船舶空间六自由度模型建模思路，建立了海洋环境干扰下的非对称欠驱动高速无人艇的运动数学模型。基于所建立的无人艇运动模型，结合给定期望航迹，建立了航迹跟踪误差系统方程，从而将高速无人艇的航迹跟踪控制问题转换成了跟踪误差的系统镇定控制问题。设计了跟踪误差系统的全局微分同胚变换，并将跟踪误差系统转换成简化的跟踪误差级联系统形式，并基于级联系统理论和齐次控制理论对所简化的级联系统进行了相应的分析和控制设计变换，最后得到对应的控制律并进行了相应的稳定性分析。后续基于Takagi-Sugeno模糊理论和梯度下降法进行了海洋环境干扰补偿设计，并与所设计的航迹跟踪控制方法融合，通过半物理仿真实验验证了所设计方法的有效性和可靠性。基于该项目的研究，项目组开发了航迹跟踪控制软件，参加了国际学术交流并做了会议报告，发表SCI检索论文18篇，EI检索论文3篇，其他论文4篇，申请发明专利3项，已授权2项，已受理1项，各项成果指标达到或超过项目研究预期。项目研究成果为一类典型的欠驱动系统和二阶非完整系统提供了研究参考，可以为其他相关机器人动力学系统设计与分析提供借鉴；同时项目研究有助于改善高速无人艇的航迹跟踪控制系统性能，提升航迹跟踪控制系统的精确性和可靠性，增强无人艇的抗海洋环境干扰能力，进一步可以拓宽无人艇的航行区域和作业范围。