无人船状态估计和路径跟踪控制

第1章绪论

1.1研究的意义和作用

1.2状态估计及融合理论技术发展

1.3船舶非线性状态估计及融合技术发展

1.4无人船运动控制研究现状

1.5路径跟踪控制研究现状

1.6本书的主要研究内容与组织结构·

第2章无人船运动学模型和测量模型

2.1参考坐标系・

2.2无人船运动学模型

2.3具有干扰的无人船离散时间状态模型和测量模型

2.4海流影响下的无人船运动学模型…

2.5无人船模型仿真验证

2.6本章小结…

第3章加性互相关噪声下非线性状态估计方法研究

3.1高斯白噪声下无人船艏向状态估计方法·

3.2加性互相关噪声下无人船艏向状态估计方法·

3.3高斯白噪声下非线性状态估计方法

3.4加性互相关噪声下无人船非线性状态估计方法·

3.5本章小结

第4章参数不确定下无人船非线性状态估计方法研究

4.1扩展平滑变结构滤波…

4.2模型参数不确定下无人船非线性状态估计方法

4.3加性测量噪声统计特性未知下无人船非线性状态估计方法

4.4测量值随机丢失及有色噪声下无人船非线性状态估计方法

4.5 本章小结…

第5章乘性噪声下无人船非线性状态估计及融合方法研究

5.1支持向量机·

5.2乘性噪声下无人船非线性状态估计方法

5.3乘性噪声下无人船多传感器融合方法

5.4乘性噪声下无人船非线性状态估计及融合仿真验证

5.5本章小结

第6章无人船路径跟踪自适应模糊控制

6.1预备知识

6.2基于IALOS导引系统的USV路径跟踪自适应模糊控制

6.3 基于IAILOS导引律和估计器的USV路径跟踪自适应模糊控制………134

6.4本章小结

第7章无人船输入输出受限的路径跟踪鲁棒控制

7.1预备知识

7.2基于ECS-LOS导引律的无人船路径跟踪控制

7.3基于有限时间LOS导引律的USV路径跟踪有限时间控制

7.4本章小结…

第8章无人船路径跟踪输出反馈控制·

8.1预备知识

8.2基于扩张观测器的USV路径跟踪输出反馈控制

8.3基于有限时间扩张观测器的USV路径跟踪输出反馈控制

8.4本章小结

参考文献…

名词索引

1.1研究的意义和作用

无人船作为一种水面运动平台，具有响应速度快和运动灵活的特点。一方面，它可以通过控制模块来实现远程操控；另一方面，它还可实现自主巡航，应用范围非常广泛。无人船的这些特点，使它成为各国科研人员研究的热点与焦点。在军事方面，由于现代信息设备的不断革新，具有隐蔽性好和高战略渗透能力的无人船在西方发达国家越来越受到重视，他们期望将无人船与无人水下航行器、无人地面平台及无人机平台相互结合，构建四位一体多维度、高精度的无人作战平台。无人作战平台所具有的侦察、监视、情报收集、准确打击等技术优势，将会成为未来国际战争中实现零伤亡的重要军事手段。无人船不仅应用在军事方面，而且也应用在民用方面。水资源是人类最重要的自然资源，是人类赖以生存和发展的基本条件，我国作为世界人口大国，水质的监测对水环境的保护以及维护水环境健康方面起着至关重要的作用，而无人船具有自主航行、自主避障等特点，常常被用来作为国家水利水质监测和漂浮物清理的载具，具有很高的实际应用价值。

无论应用于军事还是民用，无人船最根本的功能就是要实现自主巡航，而航迹控制技术是解决无人船路径跟踪和自主巡航等问题的前提。无人船在航行环境中会受到一些不确定性干扰的影响，如水面上风、浪、流以及航行环境中的综合扰动，这使得无人船的运动惯性较大，且具有非线性、时滞性等特性。另外，船舶行驶中不断变化的航速与所载设备质量的变化等会导致运动模型参数在一定范围内变化，也会影响到无人船航迹的准确性。因此船舶航迹控制的快速性和抗干扰性将是设计无人船航迹控制器的参考因素和重要指标。

无人船需要实现的基本功能有艏向控制、目标追踪、直线循迹和曲线循迹等，而这些功能的实现都离不开船舶精确的导航和制导系统。无人船信息测量系统主要包括卫星导航单元、电罗经、惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，IMU)等。测量系统的作用是通过导航设备和必要的传感器对船舶北向位置、东向位置、艏向角、纵荡速度、横荡速度和回转率进行测量，并利用合适的状态估计及融合方法对测量值进行处理，使其能够较好地估计出船舶真实的状态信息。

为了估计出无人船精确的北向位置、东向位置、艏向角、纵荡速度、横荡速度和回转率等信息，常用的状态估计及融合方法一般都假设系统是理想环境下的系统，即假设系统噪声干扰满足独立高斯白噪声的统计特性；又假设可以精确地知道系统状态模型参数和测量模型参数；同时也假设状态估计器可以及时准确地接收到传感器单元采集到的测量值。然而对于实际的无人船，由于复杂的海洋环境、电磁干扰以及传感器故障等，以上这些假设通常是不容易实现的。由于海洋环境复杂多变，实际系统中的加性噪声干扰通常更加符合相关有色噪声的特性，即加性噪声之间存在相关性；同时由于实际中的系统模型不是非常精确的，因此系统具有模型参数不确定性、加性测量噪声统计特性未知及乘性噪声等干扰，而且测量数据在传输过程中也会存在测量值随机丢失现象。因此，针对具有加性相关有色噪声干扰、系统模型参数不确定性及乘性噪声干扰的无人船非线性系统，研究相应的无人船非线性状态估计及融合方法具有重要的实际意义。

目前，大多数的无人船基于空间体积限制、水动力性能优化、减轻船体质量及提高经济效益等因素的考虑，其主要推进装置和转向操纵设备为螺旋桨推进器和舵，而不配备横向推进装置(也称侧推)，但是却需要控制船舶在水平面上的三个自由度运动，因此它是一种典型的欠驱动系统。对欠驱动无人船(Underactuated marine Surface Vessel,USV)(简称无人船)的研究，有助于减少船舶执行器的数量，简化船舶机械结构的设计，节约系统研发和运行成本。无人船运动控制的研究还可以提高船舶航行的安全性，全驱动配置的船舶可能因为执行机构发生故障而在瞬间变为欠驱动系统，如果配备了欠驱动控制策略，即使横向推进器发生了故障，依旧可以使用剩下的推进器进行控制，提高了船舶的安全性，因此具有重要的实用价值。图1.1所示为无人船海上巡逻，图1.2所示为无人船探测水下地形地貌。