欠驱动水面艇自主航行过程最小风险协调控制研究

Most surface ships are not equipped with lateral propulsion equipment, relying solely on the vertical propulsion device (propeller or jet propulsion) and steering the complex motion of the ships on the horizontal plane within three degrees of freedom, this class of ships all belongs to classic underactuated systems. However, underactuated vessels present not only its own motion constraints in the trajectory tracking process, but also present greater security constraints and extreme sailing conditions, such as bilge margin walk, spiral swing, with waves of broaching and so on. If only considering safety hard constraints of dynamics of vessel body, without considering the security requirements of the navigation process control, it is prone to appear high-risk situation, such as stall, yaw, and even overturning. To solve high-risk control problems, a new maximum security predictive control method is proposed, that is, this paper expands security constraints of vessel body, and takes full account of trajectory tracking high-risk index of surface vessels based on basic research that is about surface vessel hull model, hydrodynamic model and safety motion constraints conditions. What's more, this paper continues to study trajectory tracking of surface vessel, that is, considering ability of predictive control to solve multi-constrained problems, real-time calculation of safety index is introduced into the scroll optimization index , which achieves integration control including the best control accuracy and safety to reach the best results, through establishing safety index evaluation function of trajectory tracking process.

现有水面艇要实现航向、位置的直接控制，需要调节推力角度和推力大小2个输入来同时控制水平面3个自由度运动，因此水面艇属于欠驱动系统。在欠驱动水面艇自主航迹跟踪中，面临巨大的风险性，当海面出现静态或动态障碍时，在临近障碍的最后段，水面艇常常航行在"风险的边缘"，出现"舭缘行走"、"螺旋摆荡"、"随浪横甩"等极端航行情况，会造成水面艇失速、偏航甚至倾覆。将航迹风险结合到航迹控制中，基于实时风险最小准则在线规划航迹提高规避能力，并利用耦合协调控制增强航迹跟踪系统稳定性和跟踪机动航迹的能力，是降低风险性的可行途径之一。本课题充分考虑欠驱动水面艇的高风险航迹控制问题，设计风险分析、航迹规划、航迹和运动姿态控制的一体化框架。基于风险多特征量进行非线性评估，以评估得到的风险函数作为优化指标进行航迹在线规划，设计航迹跟踪和运动姿态协调分布预测控制，提高跟踪实时规划航迹能力，实现兼顾控制精度和风险最小的目的。

本课题充分考虑欠驱动水面艇的高风险航迹控制问题，将航迹风险结合到航迹控制中，基于实时风险最小准则在线规划航迹提高规避能力，设计风险分析、航迹规划、航迹和运动姿态控制的一体化框架。基于风险多特征量进行非线性评估，以评估得到的风险函数作为优化指标进行航迹在线规划，设计航迹跟踪和运动姿态协调分布预测控制，提高跟踪实时规划航迹能力，实现兼顾控制精度和风险最小的目的。.1、建立了基于人工势场法的含有风险增广项水面无人艇动力学模型，引入风险项的目的是使水面无人艇在躲避障碍的同时进行轨迹跟踪。同时基于风险最小的思想设计模型预测控制器，通过选取合适的输出矩阵，实现同时兼顾控制过程精度最优和风险最小的控制目标。.2、设计实现了基于LMI约束的预测控制航迹跟踪控制器和基于碰撞锥理论的避障控制算法。同时对耦合横摇的水面艇进行航迹跟踪研究，设计了水面艇航迹跟踪的预测控制器，分析了预测时域、误差权重矩阵、控制矩阵、横摇角约束幅值等不同参数对于水面艇航迹跟踪控制系统的动态性能和稳定性能的影响。.3、针对基于海洋环境干扰与水动力参数摄动的欠驱动水面无人艇协调控制问题，设计了一种基于上下界终端滑模的鲁棒协调控制策略，实现了水面无人艇跟踪其期望轨迹。利用时变非线性级联稳定性理论证明了整个闭环控制系统全局一致渐进稳定。.4、考虑复杂的海域环境中，水面艇的航行控制过程中需要考虑系统的各种噪声和外界环境的扰动给系统带来的不确定性，采用Sage-Husa 自适应卡尔曼滤波对系统各状态量进行最优估计，达到消除噪声的目的。同时设计干扰观测器，实现对外界干扰在线实时估计并在预测控制中进行有效补偿。最终，将Sage-Husa 自适应卡尔曼滤波、干扰观测器、预测控制综合起来，克服了外界噪声和干扰的影响，很好地实现了欠驱动水面艇高风险下的航迹跟踪协调控制的目的。.5、自主研发了半物理仿真平台和小型试验船，利用仿真平台和试验船对所研究的方法进行了试验检验。解决了预测控制方法在欠驱动船舶中的工程可实现性问题。.