论文摘要
当水面艇高速航行时,仅有调节其推进速度和操纵船艏向两种方式来实现水面滑行艇的运动姿态控制。当无人艇高速航行时,输入量只有两个,即艏向的推力和推进器产生的转船力矩。依靠这两个输入量控制水面艇水平面位置和航向角3个自由度,此时的水面艇属于欠驱动系统。鉴于欠驱动水面艇运动控制系统存在的本质非线性、非完整性、变量之间的深度耦合等特性,对于这类特殊的非线性系统的研究,也有助于加深对一般非线性控制问题的认识。本文针对一类欠驱动水面艇,利用动量定理和动量矩定理进行分析,建立了系统的动力学模型,通过建立水面艇运动坐标系基向量与固定坐标系基向量之间的对应关系,得到了运动学模型,从而推出了系统的六自由度非线性运动方程,并由此在一定的假设条件下进行简化,获得水面艇的水平面运动方程。针对建立的水面艇的水平面运动方程,本文研究了欠驱动水面艇的镇定控制和航迹跟踪控制问题。针对镇定控制问题,通过微分同胚变换和反馈变换,将艇的运动系统转化成级联的两个子系统,其中一个子系统可视为受另一个子系统的输出摄动的受摄系统,只需要设计另一个子系统的镇定控制器即可实现欠驱动水面艇全部状态的镇定控制。针对航迹跟踪控制问题,将大地坐标系下的跟踪误差重定义成运动坐标系下的跟踪误差,将航迹跟踪控制问题转化为误差系统的镇定问题,并由此采用Lyapunov直接法和反步法设计了误差系统的镇定控制器,得到了欠驱动水面艇的航迹跟踪控制器。由于实艇测试环境的限制,以及其成本高昂,而传统的数字仿真,又不能直观的反应水面艇在控制规律下的运动状态,本文利用虚拟仿真技术,结合VC++开发环境,提出了三维仿真系统的设计方案。首先,利用Multigen Creator三维建模软件,并采用纹理映射、材质设置、增加光源和着色处理等技术,绘制了具有拟真感的水面艇三维模型；然后,在Vega Prime环境下,运用Marine海洋模块,构造了水面艇模型运动的海洋环境,实现了动态的海浪效果,模拟了水面艇模型运动时尾流的动态效果；最后,结合VC++6.0开发环境,采用C++语言编程方法,开发了三维可视化仿真系统的仿真程序,实现了场景渲染、视点切换、人机交互和模型驱动等功能,实现了水面艇的运动仿真可视化的效果。最后,利用开发的三维仿真系统对所设计的水面艇的镇定控制方法和航迹跟踪控制方法进行了仿真,得到了可视化的直观的仿真结果,验证了设计控制规律的有效性。