水下目标跟踪控制策略研究

论文摘要

水下目标跟踪是船舶动力定位系统中一项重要的功能,它可以自动操控水面母船跟随水下目标(ROV)的活动。本文针对水下目标的跟踪控制策略进行了研究,内容包括以下几个方面:为研究对象(母船、水下目标)建立数学仿真模型。由于母船的动态运动是一个十分复杂的过程,它受到各种环境干扰力(风,波浪、海流)的作用,因此需要为这些环境对象建立数学模型,模拟它们对母船的作用力影响;同时也要为船上的推力器系统建立仿真模型;最后结合各部分对象模型建立完整的母船运动模型。另外,还要设计水下目标的简化运动模型,将其描述成一个做随机运动的水下活动物体。以消耗能量最小为目标,设计出一套新的水下目标跟踪策略方案。可以采用区域性跟踪的形式:当水下目标的活动超出母船附近特定的区域范围时,启动母船的跟踪控制,直到它们又恢复到合适的位置关系。这样的跟踪策略可以使母船间断地行驶,以达到节省能量的目的。另外,由于母船在运动时受到横向阻力远远大于其纵向阻力,因此要在跟踪定位控制中尽量保证母船的纵向运动,这一点需要在跟踪策略的设计中体现出来。针对水下目标从母船区域的不同边界处离开的情况,应该分别使用不同的方法计算母船的目标定位点以及目标艏向。建立特定的坐标系,通过向量计算出母船与目标定位点的纵、横向位置误差以及母船与目标艏向的角度误差。引用经典的PD控制规律对母船定位过程中的横荡及艏摇运动进行控制。由于母船的纵向运动具有很大的惯性,其纵荡控制响应带有一定的滞后,而且水下目标的运动状态活跃多变,因此母船的目标定位点位置与母船当前的位置关系较为复杂。可以将智能模糊控制理论引入到母船的纵荡控制中去,研究母船与目标定位点的位置关系,将其误差和误差变化率作模糊量化处理,利用运动学知识和母船定位控制中积累的经验来制定模糊规则,设计智能模糊PD控制器对母船在跟踪定位过程的纵向运动控制进行改进,减少母船纵向控制中的超调响应,使跟踪轨迹更加平滑。水下目标跟踪是一个动态过程,跟踪定位控制的动念响应是控制器调整的重点,在仿真结果的演示中,母船实现了对水下目标的区域式跟踪效果,母船在跟踪过程中的行驶路程小于水下目标,节省了能量的消耗。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景与研究意义
• 1.1.1 动力定位系统概况
• 1.1.2 水下目标跟踪概况
• 1.2 课题的发展与研究现状
• 1.2.1 动力定位系统的发展历程
• 1.2.2 动力定位系统的研究现状
• 1.2.3 水下目标跟踪的发展与展望
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第2章 仿真数学模型
• 2.1 引言
• 2.2 坐标系的选取与转换
• 2.3 环境扰动模型
• 2.3.1 风力模型
• 2.3.2 海流模型
• 2.3.3 二阶波漂力模型
• 2.4 推力器系统模型
• 2.5 船舶运动模型
• 2.5.1 船舶运动的叠加
• 2.5.2 船舶综合运动模型
• 2.6 水下目标运动模型
• 2.7 本章小结
• 第3章 控制器理论基础
• 3.1 引言
• 3.2 经典 PID控制
• 3.2.1 PID控制器的类型及其动态特性
• 3.2.2 PID控制作用分析
• 3.3 智能模糊控制
• 3.3.1 模糊控制的基本原理
• 3.3.2 模糊控制器设计的基本方法
• 3.4 本章小结
• 第4章 水下目标跟踪智能控制器研究
• 4.1 引言
• 4.2 水下目标跟踪策略研究
• 4.2.1 划分水下目标在母船附近的活动范围
• 4.2.2 跟踪方式及评判标准
• 4.2.3 计算母船跟踪定位的目标位置与目标艏向
• 4.2.4 启动一次跟踪过程的条件
• 4.2.5 一次跟踪过程中的母船定位
• 4.2.6 跟踪过程的流程
• 4.3 跟踪控制的误差计算
• 4.3.1 坐标系的转换
• 4.3.2 用于控制的坐标系与向量
• 4.3.3 利用向量判断启动跟踪条件
• 4.3.4 利用向量计算控制输入误差
• 4.4 跟踪控制规律设计
• 4.4.1 使用PD控制规律进行定位控制
• 4.4.2 将智能模糊控制理论引入纵荡控制
• 4.5 智能跟踪控制器的结构
• 4.6 动态跟踪控制的仿真结果
• 4.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间所发表的论文和取得的科研成果
• 致谢