双机双桨水面无人艇建模及航迹控制研究文献综述

文献综述

1.课题研究的现状

水面舰艇的轨迹跟踪和路径跟踪问题多年来一直吸引控制界的关注。动力不足是这些问题的本质，即要控制的变量比控制执行器的数量要多，再加上流体力学的非线性特征与船舶运动相关联，使控制问题兼得有趣且充满挑战。

以下是一些业内人士做的有关船舶航迹控制方面的研究。

张桂臣[1]研究了Nomoto和Norrbin船舶模型，分析了航迹/航向保持问题，利用反传多层感知神经网络构建了MFA自动舵系统，逼近计划航线，将实际航迹与计划航线之间的误差最小化，最大限度地减小船舶重心偏离计划航线的距离y，实施更合理的船舶航行控制。航迹控制功能在航向控制基础上进一步加强了自动舵控制能力：对各种海况的适应能力更强；无需人工修正航线偏差，减少人工操作的不确定性，自动控制水平提高，人工操作量减小；有利于进一步减小“Z”字形摆动幅度，缩短实际航行距离，节能降耗。

苏会会[2]指出船舶模型的非线性，时变性和不确定性特点是影响船舶精确航行的主要因素。在存在风浪流干扰时，神经网络PID控制的结果要明显好于传统的PID控制。通过对航迹控制算法的研究和对NNM及NNC的训练，实现了航迹控制具体控制算法和航行控制器的设计，并且提出一种基于内部模型控制的神经网络控制策略。将模糊规则转化成神经网络的权值，利用神经外科的自学习和自适应能力来修正和优化他们，达到了模糊控制逻辑效果，并证明了模糊系统和神经网络都具有非线性函数的近似能力。

刘文江[3]针对船舶直线航迹这样的欠驱动、非线性，强耦合系统，本文利用自抗扰控制技术创造性地将适合单输入单输出系统的自抗扰控制算法中的控制律组成部分进行扩展，即一个输出及其微分方程的组合变成两个输出及其微分的组合，从而达到了一个控制量控制两个耦合非线性系统的目的。在设计扩张状态观测器时，充分利用跟踪微分器的滤波功能对输出进行噪声滤波。

李荣辉[4]基于现有自抗扰控制理论成果，尤其是经过参数化的线性自抗扰控制方法，利用扩张状态观测器可以求微分的功能将跟踪问题转化为镇定问题，简化了自抗扰控制结构；提出滑模自抗扰控制方法，利用线性滑模和具有约束条件的非线性滑模设计自抗扰控制律中的误差反馈环节解决船舶运动状态具有约束条件特性的问题，改进了自抗扰控制器的结构，使参数物理意义更明显、选取更直观；在自抗扰控制律中应用光滑有界的双曲正切函数对控制输入加以限制处理控制输入饱和问题，避免了控制输入的陡变问题，输出变化平稳：用自抗扰主动抗扰模式的特点，控制设计时不考虑对航向角的控制，直接根据船舶平面内的位置坐标控制路径横向偏差设计了无参考航向角的船舶路径跟踪自抗扰控制器，实现了对直线和曲线路径的跟踪控制，其适用于初始船首向与计划航向偏差小于90度的情况。

李高云[5]研究解析容错控制策略，挖掘鼓掌系统剩余完好器件的功能多余潜能。研究部分浆，舵损坏情况下利用剩余完好翼面，发挥水动力在功能上的多余度，改变控制律，重新分布力和力矩的作用，补偿故障的损失。提出分布容错控制思想，设计大型船舶航向/航迹智能容错控制系统方案，并采用数字仿真验证了容错控制性能。

李泽宇[6]将RBF神经网络与传统的PID控制相结合，发挥各自优势，设计了基于RBF神经网络的PID控制器，并对船舶航向控制进行了实验仿真，表明神经网络在船舶运动控制领域具有较好的表现，并以DOSA算法为基础，设计了针对欠驱动船舶直线航迹控制的控制系统，并在仿真中验证了DOSA算法的特性，相比于传统的PID控制，基于DOSA算法的RBF神经网络拥有更好的在线辨识特性、对系统动态变化的适应能力与抗干扰性，为实际应用提供了理论基础。