本文關(guān)鍵詞：基于自抗擾控制算法的水面無(wú)人艇航向自動(dòng)舵設(shè)計(jì)

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【摘要】：無(wú)入艇的關(guān)鍵技術(shù)是自主航行和智能避碰,而自動(dòng)舵是其關(guān)鍵設(shè)備。由于無(wú)人艇自身的動(dòng)態(tài)模型不僅具有參數(shù)不確定性、非線性等特點(diǎn),而且在航行過(guò)程中易受到風(fēng)、浪、流等海洋環(huán)境的干擾,解決無(wú)人艇運(yùn)動(dòng)控制的魯棒性問(wèn)題尤為重要。為此,本文結(jié)合ADRC在相關(guān)領(lǐng)域的研究,將自抗擾控制算法應(yīng)用于水面無(wú)人艇的航向控制。 本文闡述了課題的研究背景和意義,介紹了國(guó)內(nèi)外水面無(wú)人艇的發(fā)展現(xiàn)狀及自動(dòng)舵的發(fā)展歷程,分析了無(wú)人艇航向控制的研究現(xiàn)狀。全面敘述了自抗擾控制技術(shù)的提出、發(fā)展歷程以及應(yīng)用研究現(xiàn)狀。分析了經(jīng)典PID控制的優(yōu)缺點(diǎn)和改進(jìn)措施,論述了自抗擾控制器的結(jié)構(gòu)組成和基本原理。針對(duì)帶有舵機(jī)非線性特性的的二階Nomoto模型,基于二階ADRC設(shè)計(jì)了無(wú)人艇航向自抗擾控制器。 本文采用整體型建模思想,建立了響應(yīng)型無(wú)人艇三自由度平面運(yùn)動(dòng)的線性化數(shù)學(xué)模型,給出了舵機(jī)模型,并建立了風(fēng)、浪、流環(huán)境干擾數(shù)學(xué)模型。基于所建立的數(shù)學(xué)模型,分別在有無(wú)環(huán)境干擾和參數(shù)攝動(dòng)的情況對(duì)自抗擾控制器進(jìn)行了仿真研究,并與PID控制器進(jìn)行了仿真對(duì)比。仿真結(jié)果驗(yàn)證了自抗擾控制的有效性,自抗擾控制器對(duì)于無(wú)人艇航向運(yùn)動(dòng)的非線性、不確定性和環(huán)境干擾均具有較強(qiáng)的魯棒性,不僅能實(shí)現(xiàn)平滑操舵,而且操舵量小,節(jié)約了能源,滿足無(wú)人艇高精度航向控制的要求。 本文根據(jù)航向自動(dòng)舵的要求,對(duì)硬件進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì),對(duì)于各功能軟件模塊進(jìn)行了編程調(diào)試,以STM32為核心控制器的無(wú)人艇航向自動(dòng)舵能夠滿足了無(wú)人艇航向控制的功能需求。
【關(guān)鍵詞】：水面無(wú)人艇 航向控制 自抗擾控制器 自動(dòng)舵
【學(xué)位授予單位】：大連海事大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：U664.36;U674.7
【目錄】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-9
• 第1章 緒論9-17
• 1.1 課題背景和研究意義9-10
• 1.2 水面無(wú)人艇發(fā)展現(xiàn)狀10-16
• 1.2.1 國(guó)內(nèi)外無(wú)人艇研究現(xiàn)狀10-11
• 1.2.2 自動(dòng)舵的發(fā)展11-12
• 1.2.3 無(wú)人艇航向控制研究現(xiàn)狀12-14
• 1.2.4 自抗擾控制器的發(fā)展和研究現(xiàn)狀14-16
• 1.3 論文結(jié)構(gòu)16-17
• 第2章 水面無(wú)人艇運(yùn)動(dòng)及干擾數(shù)學(xué)模型17-26
• 2.1 無(wú)人艇運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型17-22
• 2.1.1 無(wú)人艇運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系17-18
• 2.1.2 無(wú)人艇三自由度平面運(yùn)動(dòng)18
• 2.1.3 無(wú)人艇平面運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型18-21
• 2.1.4 無(wú)人艇線性響應(yīng)型數(shù)學(xué)模型21-22
• 2.2 舵機(jī)模型22-23
• 2.3 干擾數(shù)學(xué)模型23-25
• 2.3.1 海風(fēng)干擾23-24
• 2.3.2 海浪干擾24-25
• 2.3.3 海流干擾25
• 2.4 本章小結(jié)25-26
• 第3章 水面無(wú)人艇航向自抗擾控制器設(shè)計(jì)26-43
• 3.1 經(jīng)典PID控制器的優(yōu)點(diǎn)和缺陷26-27
• 3.2 自抗擾控制器的組成27-33
• 3.2.1 跟蹤微分器(TD)28-30
• 3.2.2 擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(ESO)30-32
• 3.2.3 非線性狀態(tài)誤差反饋(NLSEF)32-33
• 3.3 無(wú)人艇航向自抗擾控制器設(shè)計(jì)33-35
• 3.3.1 自抗擾控制器的算法設(shè)計(jì)33-34
• 3.3.2 無(wú)人艇航向自抗擾控制器的參數(shù)整定34-35
• 3.4 無(wú)人艇航向控制的仿真分析35-41
• 3.4.1 無(wú)外界干擾下的控制仿真37-39
• 3.4.2 海浪干擾下的控制仿真39-41
• 3.4.3 參數(shù)攝動(dòng)時(shí)的控制仿真41
• 3.5 本章小結(jié)41-43
• 第4章 航向自動(dòng)舵的設(shè)計(jì)方案43-55
• 4.1 航向自動(dòng)舵的硬件設(shè)計(jì)43-48
• 4.1.1 系統(tǒng)概述43-44
• 4.1.2 微控制器44-45
• 4.1.3 供電電路設(shè)計(jì)45
• 4.1.4 串口通訊電路設(shè)計(jì)45-46
• 4.1.5 舵角反饋電路設(shè)計(jì)46-47
• 4.1.6 操舵控制電路設(shè)計(jì)47-48
• 4.1.7 LCD液晶顯示電路設(shè)計(jì)48
• 4.2 航向自動(dòng)舵系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)48-54
• 4.2.1 PC機(jī)程序設(shè)計(jì)48-50
• 4.2.2 PC機(jī)與艇載信息綜合處理系統(tǒng)的串口通訊協(xié)議50
• 4.2.3 PC機(jī)與單片機(jī)之間的串口通訊協(xié)議50-51
• 4.2.4 微控制器程序流程圖51-52
• 4.2.5 工作模式流程圖52-54
• 4.3 本章小結(jié)54-55
• 第5章 總結(jié)與展望55-57
• 5.1 總結(jié)55
• 5.2 存在的問(wèn)題和改進(jìn)55-56
• 5.3 展望56-57
• 參考文獻(xiàn)57-61
• 附錄61-65
• 致謝65

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1039803