水面无人艇航迹控制算法研究

发布时间：2017-03-28 02:10

  本文关键词：水面无人艇航迹控制算法研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着作战方式的变革,无人作战系统成为未来发展的主流趋势,水面无人艇(Unmanned Surface Vessel,简称USV)作为其中一个重要分支,受到越来越多国家的重视。其中,自主航行技术是USV控制的核心,主要表现在智能危险规避和航迹跟踪控制这两大方面。本文将重点研究USV航迹控制算法,确保USV能够按照规划的航线航行,为未来战争中精确打击、完成特殊作战任务提供有利信息。 USV是一个典型的具有非线性、运动模型不确定性的系统,在海面航行时还会受到风、浪、流等外界环境干扰的影响,这使得USV的精确航迹跟踪非常困难。神经网络强大的学习能力,使其成为许多领域的研究热点,本文为提高USV航迹控制的精确性、鲁棒性和稳定性,对神经网络控制理论,以及它在USV航向控制和航迹跟踪控制中的应用进行了深入的研究和分析。 本文首先介绍了间接式和直接式两种航迹控制实现方案,并研究了USV航行中艇位、方位、航迹偏差的计算方法。依据USV空间三自由度运动,分别建立其平面运动的线性化数学模型和非线性化数学模型,同时也给出了风、浪、流干扰模型。然后介绍了BP神经网络的基本原理,针对间接航迹控制,将神经网络与PID控制相结合,设计了基于BP神经网络的PID航向控制器。在MATLAB下的仿真工具Simulink中分别对传统的PID航向控制和BP神经网络PID航向控制进行仿真研究,仿真结果表明基于BP神经网络的PID航向控制器它实现了控制器参数的在线调整,在有风、浪、流干扰时,其控制效果明显优于传统的PID控制。最后,针对直接航迹控制设计了神经网络在线直接航迹控制器,依据罗经指向、航速、舵角、GPS定位、电子海图等信息,对位置坐标进行直接控制。在Simulink中搭建仿真框图,BP神经网络控制器通过S函数模块实现,仿真结果表明神经网络在线航迹控制器具有良好的航迹跟踪精度。
【关键词】：水面无人艇 航迹控制 BP算法 神经网络PID
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：U674.7;U675.7
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-8
• 目录8-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 课题研究的背景和意义10-11
• 1.2 课题研究现状11-15
• 1.2.1 无人艇研究现状11-13
• 1.2.2 无人艇航迹跟踪控制现状13-15
• 1.3 本文研究内容15-16
• 第2章 航迹控制研究16-21
• 2.1 航迹控制实现方案16-18
• 2.1.1 间接航迹控制16-17
• 2.1.2 直接航迹控制17-18
• 2.2 无人艇航行计算18-20
• 2.2.1 卫星导航无人艇艇位推算18
• 2.2.2 无人艇方位计算18-19
• 2.2.3 无人艇航迹偏差计算19-20
• 2.3 本章小结20-21
• 第3章 无人艇航迹控制系统数学建模21-37
• 3.1 坐标系及无人艇运动参数表示21-25
• 3.1.1 无人艇运动坐标系21-22
• 3.1.2 无人艇运动参数表示22-23
• 3.1.3 无人艇运动参数两坐标系的变换23-25
• 3.2 海洋环境干扰模型25-30
• 3.2.1 风力干扰模型25-27
• 3.2.2 海浪干扰模型27-28
• 3.2.3 海流干扰模型28-30
• 3.3 操舵伺服系统数学模型30-31
• 3.4 无人艇运动数学模型31-36
• 3.4.1 无人艇平面运动的线性化数学模型31-35
• 3.4.2 无人艇平面运动的非线性化数学模型35-36
• 3.5 本章小结36-37
• 第4章 神经网络控制和PID控制37-50
• 4.1 神经网络控制引论37
• 4.2 人工神经网络基础37-39
• 4.3 MLP的BP训练方法39-42
• 4.3.1 MLP的结构和前向算法39-40
• 4.3.2 MLP的误差反向回传算法(BP算法)40-42
• 4.4 PID控制42-44
• 4.4.1 PID控制原理42-43
• 4.4.2 数字PID控制43-44
• 4.5 基于BP神经网络的PID控制44-49
• 4.6 本章小结49-50
• 第5章 无人艇航迹控制的研究与实现50-63
• 5.1 无人艇间接航迹控制的仿真研究50-56
• 5.1.1 航迹控制单元规划航向的计算50-51
• 5.1.2 PID航向控制器的设计51-54
• 5.1.3 基于BP神经网络PID航向控制器的仿真研究54-56
• 5.2 无人艇直接航迹控制的仿真研究56-62
• 5.2.1 基于BP神经网络在线航迹控制器56-58
• 5.2.2 基于BP神经网络在线航迹控制器的仿真研究58-62
• 5.3 本章小结62-63
• 结论63-65
• 参考文献65-68
• 致谢68

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1 李铁山,杨盐生,洪碧光;船舶直线航迹控制的鲁棒自适应非线性设计[J];大连海事大学学报;2004年04期

2 何s，

本文编号：271505