高速无人艇模型及航速/航向解耦控制研究

论文摘要

无人艇操纵灵活,机动性强,在军事和民用生活等方面都有着广泛的应用。但相关研究还比较少,而且其中大量研究不论航行状态如何,都将单一水动力模型应用于海面无人艇。事实上,随着航行状态的改变,水动力相应变化且不同航行阶段之间差距较大。本文首先研究并建立了基于不同航行状态下无人艇运动学模型和水动力模型,然后根据海风海浪的特点,建立了初等风浪干扰模型,并根据喷水推进器的特点初步建立了喷水推进器的平面推力模型；其次在此模型下,针对某水面无人艇,通过研究其从静止到高速起滑的整个过程,验证此模型的可行性,同时研究了在此初等风浪干扰下无人艇的航速、横摇角等在给定喷口转角下的变化趋势,据此得到无人艇的开环运动特性,进而得到了开环运动特性分析和得到了安全运动约束条件,仿真结果显示了所给模型控制的有效性；然后据此对该无人艇的航向和航速分别设计PID控制器和解耦控制器,并进行PID控制和局部前馈解耦控制的仿真研究；最后对比了两种控制方法,通过对比证明解耦控制方法更具可行性和实用性,进而得出解耦控制方法更好。对海面无人艇,现有文献显示,学者研究的共同点有：1)都是只针对排水,半排水,或滑行状态中某一航行状态水动力模型的无人艇研究；2)未进行过开环运动特性的分析；3)未将不同航行状态的水动力模型应用于同一艘无人艇上。而随着航速的增加,无人艇水动力模型随航速不同而变化,因此将单一的水动力模型应用于不同航速下无人艇的研究不能准确反映无人艇的真实状态,具有一定的局限性。以往的单一水动力模型只是针对特定航行状态进行研究,对于不同的航速,单一的水动力模型已不再适用。而随着航速不同,建立同一艘无人艇在不同航行状态下的水动力模型,并研究在这些模型下无人艇的运动特性成为一个难点,也是研究真实无人艇的一个关键环节。此外以往的学者在进行解耦时,多数采用将航速和航向分为快慢回路的方法,但该类方法的正确性只是引用于排水型船舶,至于能否应用于高速无人艇还有待于考究。所以本文在后续的展望研究中可以进行其它解耦方法的相关探索研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景与意义
• 1.2 国内外无人艇研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 解耦控制方法的研究现状
• 1.4 论文研究内容
• 第2章 高速无人艇模型的建立
• 2.1 坐标系的选取
• 2.2 高速无人艇的运动学模型
• 2.3 高速无人艇的动力学模型
• 2.3.1 无人艇纵向动力学模型
• 2.3.2 无人艇横向动力学模型
• 2.4 风浪干扰和海风干扰模型
• 2.4.1 海浪干扰坐标系
• 2.4.2 规则波的干扰力
• 2.4.3 风的干扰力模型
• 2.5 高速无人艇推进装置模型
• 2.6 附加质量和附加力矩的确定
• 2.7 本章小结
• 第3章 高速无人艇开环运动特性分析
• 3.1 MATLAB仿真系统搭建
• 3.2 高速无人艇静海面开环特性仿真研究与分析
• 3.2.1 航速和纵向水动力仿真研究与分析
• 3.2.2 航速、转向角、横摇间的开环特性仿真研究与分析
• 3.3 高速无人艇风浪干扰开环特性仿真研究与分析
• 3.4 高速无人艇安全航行约束条件
• 3.5 本章小结
• 第4章 高速无人艇航速/航向PID控制器设计
• 4.1 航速PID控制器设计
• 4.2 航向PID控制器设计
• 4.3 PID控制器参数整定方法
• 4.4 高速无人艇航速/航向PID控制仿真研究与分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 高速无人艇航速/航向解耦控制器设计
• 5.1 航速/航向解耦控制方法研究
• 5.1.1 航向/航速的快慢回路分离解耦控制方法
• 5.1.2 传统解耦控制方法
• 5.1.3 模糊前馈解耦控制方法
• 5.1.4 神经网络解耦控制方法
• 5.1.5 反步前馈解耦控制方法
• 5.1.6 基于前馈控制的局部前馈解耦控制方法
• 5.2 航速/航向局部前馈解耦控制仿真研究与分析
• 5.3 解耦控制方法和PID控制方法的仿真结果对比分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢