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船舶列车编队协同控制策略研究

船舶列车编队协同控制策略研究

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作者：罗鹏集美大学

学位级别：硕士

随着科学技术迅猛发展,自主水面无人艇(ASV,Autonomous surface vehicle)已广泛应用于科研和军事领域,包括自主巡逻、资源勘探和货物运输等任务。船舶列车是一种新型航运模式,由多艘ASV组成,采用领导-跟随方式,能够在复杂环境中协同配合... 详细信息

随着科学技术迅猛发展,自主水面无人艇(ASV,Autonomous surface vehicle)已广泛应用于科研和军事领域,包括自主巡逻、资源勘探和货物运输等任务。船舶列车是一种新型航运模式,由多艘ASV组成,采用领导-跟随方式,能够在复杂环境中协同配合,共同执行货物运输任务。该模式要求ASV编队系统能够安全、稳定和准确地在指定轨迹上运行。然而,海洋环境的复杂性导致ASV在运动过程中受到风浪和洋流的干扰;同时,船舶运动控制系统具有强耦合性和非线性特征,还面临着执行器限制、网络攻击和系统不确定性等问题,这些因素限制了ASV的实际应用与发展。本文旨在研究各种船舶运动控制问题,设计并提出满足任务要求的船舶运动控制器,并解决一系列船舶运动约束。进一步将所提出的控制器应用于船舶列车编队协同控制,以实现编队系统稳定准确运行。本文的具体研究内容如下:(1)针对多约束条件下ASV轨迹跟踪控制问题,提出一种新型固定时间动态面控制方法。首先,利用固定时间干扰观测器精确估计外界干扰并补偿到控制器中,提高系统鲁棒性。此外,利用辅助系统和补偿系统解决执行器限制与拒绝服务攻击,并添加触发机制解决辅助系统失效问题。最后,结合固定时间收敛、滤波技术和反步控制方法,降低抖振、减少误差,提升系统总体跟踪性能。(2)基于(1)的研究基础,针对复杂海洋环境和内部不确定性下船舶列车编队协同控制问题,提出一种具有避障功能的自适应积分终端滑模编队控制方法。首先,为提高编队系统鲁棒性,利用集总不确定观测器估计未知外界干扰和内部建模不确定性补偿于控制器中,并利用切换力矩对残余的不确定性项进行处理。同时,结合自适应律减少系统抖振现象改善系统性能。此外,通过图论法和新型避障策略,实现编队控制和避障,提高系统安全性。最后,设计出编队协同控制律保障船舶列车安全准确地执行跟踪任务。(3)为验证(2)中船舶列车编队系统控制方法的有效性,搭建一种虚实结合验证平台。首先利用Simulink 3D Animation实现在三维视景中实时显示船舶列车运行状态,更为直观展现出编队控制方法的效果,便于其验证与改进。此外,为进一步验证(2)中所提方法的实际控制性能,搭建船舶列车编队系统实船验证平台,开展一系列实船验证工作。并通过实船验证和对比分析,验证本研究所提控制方法的优越性。最后,对本研究进行全文总结,并对未来工作进行展望。

关键词：船舶列车编队控制自主水面无人艇轨迹跟踪控制

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