【摘 要】
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在现代化海洋强国建设理念下,海洋牧场的建设及智能运营对无人船技术装备提出了更高的要求。采用精确的动力学建模与控制算法来实现路径跟踪是智能船舶能顺利完成海洋牧场选址、建设任务的前提。本文以海洋牧场养殖运营用水质监测船作为研究对象,围绕线控改装船的动力学建模与路径跟踪控制算法进行研究,旨在提升自动采样过程中的路径追踪精度与稳定性。单浆单舵玻璃钢船的线控改装与模型辨识。设计了基于玻璃钢船船体、感知系统、
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在现代化海洋强国建设理念下,海洋牧场的建设及智能运营对无人船技术装备提出了更高的要求。采用精确的动力学建模与控制算法来实现路径跟踪是智能船舶能顺利完成海洋牧场选址、建设任务的前提。本文以海洋牧场养殖运营用水质监测船作为研究对象,围绕线控改装船的动力学建模与路径跟踪控制算法进行研究,旨在提升自动采样过程中的路径追踪精度与稳定性。单浆单舵玻璃钢船的线控改装与模型辨识。设计了基于玻璃钢船船体、感知系统、嵌入式处理器、动力系统四个模块的硬件平台;线控改装人力操控船,使得方向盘与车钟可接收上位机的CANopen指令帧。编写了定位、避障、制导、控制等模块程序。分析并比较整体结构模型、分离数学模型、响应模型的运动特性,决定采用二阶Nomoto响应模型对线控改装船进行动力学建模。基于自适应（Integral line-of-sight,ILOS）的制导系统设计。采用积分视线ILOS制导策略消除真实水域非线性因素导致的横向距离偏移;基于模糊优化算法实时生成前视距离,提出了自适应ILOS制导策略。在GNU Octave仿真平台对比改进后ILOS与传统LOS的路径追踪效果,验证了所提出自适应ILOS算法能有效缓解风浪流干扰引起的横向偏移,提升航迹追踪的精度与响应效果。自适应ILOS结合模型预测控制（model predictive control,MPC）的路径跟踪策略。采用可变前视距离ILOS制导策略将目标路径的追踪转换成对航向的追踪,并基于系统追踪控制模型与MPC控制器计算出最优舵角;采用遗传算法（Genetic Algorithm）整定、;基于GNU Octave仿真平台分别比较MPCGA与传统MPC控制器追踪正弦曲线轨迹的效果。研究表明:MPC-GA控制器能更为出色地追踪预设路径,提高了复杂航迹下的收敛速度和平稳性。线控改装船航行试验与分析。令船舶分别基于MPC-GA与传统MPC控制算法自主追踪预先采集的三个GPS目标点,航行轨迹表明:MPC-GA抵抗风浪流的能力更加优秀,体现了良好的响应与控制效果。令船舶分别基于自适应ILOS策略与传统LOS制导律自主追踪预先采集的折线路径,航行轨迹表明:基于模糊控制的ILOS制导律表现出更好的跟踪性能指标。真实水域的航行轨迹表明:完全无静差和震荡地实现海上路径跟踪几乎不切实际。
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