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（UnmannedSurfaceVessel,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UAV、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。近几年，世界各国对海洋权益的要求日益强烈，归属存在争议海域的摩擦和冲突亦不断升级，近海作战成为未来海战的主流模式。水面无人艇与常规的船舶相比，具有小型、无人、反应快速、机动灵活、隐蔽性好、可长航等特点，而且可以搭载在大中型水面舰艇上，形成战术技术优势。西方发达国家为此不惜代价发展具有战略渗透能力、长航程与高隐蔽性的无人水面艇，以获取争议海域的水文资料、排除潜在威胁，谋求获得不对称技术优势。军事专家认为，作为海上高新兵器领域的一种作战平台，水面无人艇将会在未来和无人飞行器、无人潜航器等协同作战，共同构筑起一个完整的无人化海上战场。因此，深入研究水面无人艇技术，尽早装备我军，将对提高我军的战斗力具有重要的战略意义。然而，而对难以预知的复杂的海洋环境，长时间、自主、安全地航行这一系列动态控制技术始终影响并制约着水而无人艇向远程和多功能的方向发展。根据水面无人艇不同的任务需求建立相应的控制系统体系结构使无人艇在未知海洋环境及敌对威胁存在时能够自主、安全航行并完成自身的作战使命足非常重要的。智能危险规避和航迹跟踪控制是水面无人艇控制的核心部分，一个良好的智能危险规避和航迹跟踪系统，是水面无人艇发挥作战效能的最基本保证，是水面无人艇研制工作的基础。水面无人艇的精确航迹跟踪能力对其执行任务来说非常重要，它能够提高无人艇的精确能力，是完成无人作战任务的基础保障。二、国外发展现状1、无人艇的研究现状在2008年的10月，英国某大学的科学家们设计了一艘依靠自动导航的无人艇并进行了穿越大西洋的远航试验。这样的亮相使它成为第一艘无人驾驶、也不靠风力推进的跨越大洋的船只。由于港口安全、资源开发等海洋问题的不断更新和升级，让世界各国越来越重视海洋实力的发展，无人艇作为性价比极高的现代化产物已被各国列入了发展计划当中。水面无人艇的研究起步相对较晚，但发展迅速，现在已有很多种型号的无人船开始应用于民用和军事领域。美国海军曾在2001年正式做出了建造濒海战斗舰（LittoralCombatShip）的计划。针对海上作战系统中战斗使命的需要，首次提出了基于智能水面无人艇、水下无人下潜器和无人侦查机三者来完成整个作战体系的构建，并具备完成如排雷、反潜、情报侦察等特种作战任务的能力。具有代表性的水面智能无人艇为美国的“斯巴达侦察兵”（SpartanScout）。它早在2002年就已经被列项研究，目前已经通过了各种实验试航。该艇在其各方面技术水平都处于绝对领先的位置上，实现了真正意义上的无人控制与智能自主。它配备了不同的任务模块，能根据实际战场的需求灵活自主的切换任务模式，由于其在阿拉伯湾地区的作战任务中表现出了非常突出的战场能力，目前已被广泛部署到了美军的各大舰队里。在2006年10月美国又批准建造两条该型无人船的合同。由于无人艇突出的战场能力，和其所代表科技综合实力的象征，世界各国于21世纪初已开始竞相角逐无人船领域的发展。由于受到美国“斯巴达侦察兵”的启发与影响，在2003年，以色列某武器设计制造公司向其国防军交付了首艘名为“保护者”（Protector）的水面高速无人船，它不仅继承了“斯巴达侦察兵”各项优点，还在船体隐身性的方做了很多的努力。由于其性能优越，在国际军火市场上曾受到各地军火商一度的青睐。英国国防科技实验室也不甘落后，在看到美国“斯巴达侦察兵”成功的例子后，便开始努力研制自己的无人艇。在多次与美国合作的情况下，加上本身的科技优势，于2002年推出名为“芬里厄”（Fenrir）的无人艇，并随即将其配送给了英国皇家海军的各大舰艇，英军则主要用其来取代传统的气垫船来执行海上高危险的作战任务。德国更是别具一格，如果说美国、英国和以色列是在注重无人船的科技水平上下了很大功夫那么德国则是在注重无人船协同作战的能力上花费了不少的研究，其研制开发的无人船可以实现四艘小船在两人的控制下来协同完成作战任务的功能。日本也于2005年11月对外宣布其第一代无人船OT-91，其在外形上采用和“斯巴达侦察兵”相似的设计方法，总长度为4.4米左右，日本海上防卫厅对其功能的定位为海上巡逻、侦查和探测。2、航迹跟踪控制现状无人艇的航迹跟踪控制是指在无人艇系统的驱动控制下，使无人艇从设定的起始位置沿着预定的轨迹航行直达目的地。一个良好的航迹跟踪控制系统是水面无人艇发挥作战效能的最基本的保证，是水面无人艇研制工作的基础，能够为无人艇的精确攻击和快速作战提供有利信息，具有重要的军事应用价值。对于水面无人艇的控制来说，传统的自动控制并不直接控制水面无人艇的位置，而是通过控制航向间接控制水面无人艇的位置，即传统的间接航迹控制。间接航迹控制的主要问题在于当有风、流、浪等海洋环境干扰时，无人艇的航行轨迹将偏离规划的航线，为解决这一问题，提出了直接航迹控制的观点，即以水面无人艇的位置坐标作为控制量。国际上对于水面无人艇的直接航迹控制研究是在2002年以后才逐步引起控制界的重视。2000年以后，国外欠驱动研究人员先后在水面无人艇非线性模型的基础上研究了直接航迹控制，采用反馈线性化方法得到跟踪设定航迹的全局指数镇定器。但仅在两个位置变量收敛到设定航迹时并不能保证所有的状态均收敛，在此控制器作用下航向角是不受控的。美国海军学院釆用了基于神经网络的非线性映射和非线性状态相关黎卡提方程（SDRE）控制器相结合的神经网络控制策略，通过在线训练神经网络以使其充分逼近水面无人艇的高保真动力学仿真模型，然后在每个采样时刻重新设计SDRE控制器以给出出事镇定控制器，保证了局部渐近稳定性。这种控制器结构实现了显式反馈，主要应用于水面无人艇的航迹跟踪控制。并且，在优化过程中还考虑了风浪干扰的影响。美国海军舰船研究所与荷兰艾霍芬科技大学联合研制的水面无人艇采用了切换控制，将欠驱动水面无人艇的模型建立为切换系统模型，针对水面无人艇不同的工作状态建立不同的水面无人艇模型，并针对该切换模型设计了切换控制器，实现无扰动切换，取得了较好的控制效果。美国密两根人学安娜堡分校研制的欠驱动水面无人艇,将水面无人艇的动力模型分解为一个线性子系统和一个非线性子系统。采用非线性状态反馈和坐标变换，将非线性子系统精确线性化，并设计了基于反馈线性化的非线性子系统非线性控制器,使水面无人艇具有了渐近稳定的跟踪性能，避免了高速条件下的风浪干扰,获得了成功。美国海军研究局资助的维拉诺瓦大学的水面无人艇研究项目，将滑模控制引入了水面无人艇的控制系统，该系统将水面无人艇方位控制分解为前向、横向和纵向，分别进行控制。针对不同的方向采用不同的滑模面，从而获得不同的滑模控制器，通过控制作用的快速切换使系统状态按预定的规律运动，它对系统的不确定性和外界扰动具有良好的鲁棒性。三、国内发展现状1、无人艇的研究现状目前，我国正在大力发展无人艇技术，与美国等西方发达国家相比，在研究真正意义上自主航行的无人艇方面存在十分明显的差距。为了缩小与发达国家的差距，开展USV平台技术研究来满足不同战术和使命需求己迫在眉睫。国内水面无人艇技术方面的研究发展尚处于起步阶段，在实艇建造方面几乎是空白。中国航天科工集团与沈阳新光公司曾在2006年推出“XG-2”型水面无人艇，提出该水面无人艇能够依靠卫星通信，承担海上反潜任务，但其只是概念模型。在过去，我国许多研究机构主要是进行水下无人潜航器的研究，在水面无人水面艇研究方而，沈阳新光航天集团于2008年研发了“天象”和“闪电”两条艇，“天象1号”无人水面艇气象探测系统是国内第一艘民用无人水面艇，但其核心控制技术危险规避和航迹跟踪控制未能解决。2010年，我国第一艘无人测量艇研发项目正式启动，由上海海事海测大队、上海大学和青岛北海船舶重工三方合作。我国第一艘自主研发的无人测量艇于2013年4月在南海海域实施了首次海上实地应用,获得成功。该无人艇长6m，宽3m，克服了自主航行、自动目标识别和智能避碰等技术难题。2、航迹跟踪控制现状国内对于水面无人艇航迹跟踪控制方法的研究还处于仿真实验阶段，进行着多种控制算法的研究。主要是对船舶航迹控制算法进行研究分析以应用到水面无人艇的航迹跟踪控制中，目前己有反步法、模糊控制、祌经网络控制、滑模控制、自适应控制等一系列控制算法及其多种智能控制算法的结合被用于水面无人艇航迹跟踪控制的研究中。2004年，大连海事大学的李铁山和杨盐生等建立了水面无人艇的欠驱动非线性数学模型，并基于输入输出线性化技术，综合重定义输出变量思想，提出了一种新的状态反馈控制律，克服了无人艇的转艏角速度不能为零以及重定义输出变量的组成元素的收敛性不能保证的限制，最终使无人艇能够全局渐近跟踪直线参考航迹，在论文中以实习船为原模型，进行了计算机仿真研究，并对所提出的控制器进行了验证。2004年，哈尔滨工程大学的韩冰等基于微分平滑理论，证明了无人艇的航迹控制模型系统是微分平滑的，基于微分平滑系统中所有状态量均可表示为平滑输出及其导数的函数这一特点，运用直接动态反馈线性化方式，获得了模型系统的等价表达式，并解耦成为两个可控的子线性系统，然后对子系统设计反馈控制律，最终使无人艇在存在外界干扰的情况下全局渐近跟踪期望直线轨迹，不需要满足角速度持续激励的假设条件。2007年，中国科学院自动化研究所的程金在其博士学位论文中针对全驱动船舶的动态轨迹跟踪问题，基于三自由度水面船舶的非线性模型，基于反步设计提出了一种滑模控制方法，并在理论上证明了该方法的渐近稳定性。对于存在海况慢变干扰的情况，对船舶位置的动态跟踪提出一种自适应控制方法。其在博士期间与易建强和赵冬斌共同研究了一种航迹自动舵控制系统及其方法，并申请了专利。2007年，大连海事大学的卜仁祥在其博士学位论文中在考虑了控制系统本质非线性、控制输入和状态变量的约束、模型不确定性以及外界干扰等限制条件下，设计了一类基于滑动模态递归分解迭代设计的欠驱动非线性反馈控制方法，针对航迹跟踪控制和镇定控制问题，在论文中分别设计了直线路径跟踪控制器与曲线轨迹跟踪控制器，分别对基于虚拟向导和基于轨迹跟踪的镇定控制进行了研究设计，并对典