水面移动机器人的控制方法研究

• 作 者: 段云波
• 机 构: 沈阳理工大学
• 出 处: 沈阳理工大学
• 发表日期: 2016年01期
• 关键词: 数学模型 无人艇运动 航向控制 PID 模糊控制

水面无人艇运动控制技术直接关系到水面无人艇的航行安全和经济效益。水面无人艇的运动数学模型是研究水面无人艇运动与控制的核心。在水面无人艇的理论与实践研究中,首先要建立水面无人艇系统的数学模型。水面无人艇的数学模型是描述水面无人艇系统中系统变量相互关系动态性能的运动方程。其建立的正确与否,关系到水面无人艇的研究结果是否正确。因此,建立水面无人艇的数学模型是研究水面无人艇运动与控制的首要工作。由于水面无人艇是一个具有非线性、时变和不确定性的复杂控制对象,常规PID控制难以适应变化的工况,自适应控制也由于难以建立精确数学模型,对未建模因素难以奏效。模糊控制特别适合于处理那些难以建立精确数学模型的复杂控制对象,将模糊控制应用于水面无人艇运动控制是当前重要的研究手段,并有望解决这一问题。本文针对这一发展趋势,首先对水面无人艇进行数学建模,其次对水面无人艇的运动控制方法进行研究。具体内容包括:建立三自由度运动Abkowitz非线性水面无人艇运动模型,并对此非线性模型进行线性化,在现有研究成果的基础上,考虑了风、浪、流等干扰因素,采用Matlab中仿真工具Simulink对水面无人艇运动控制系统的进行仿真,给出了最后仿真实验结果。仿真结果表明,所建立的模型与实际水面无人艇的运动规律相符合,使用此模型可以非常方便地进行水面无人艇运动控制规律的研究。对水面无人艇运动控制仿真与研究具有实际意义。介绍了模糊控制的基本理论,分析了模糊逻辑控制系统的一般步骤,根据介绍的知识,设计了基于模糊推理的水面无人艇航速模糊控制器并进行了相应的仿真实验,且与PID控制效果进行了对比分析。分析了水面无人艇航向和航迹控制的原理,根据模糊控制理论结合经典的PID设计一种模糊自适应PID航向控制器,根据水面无人艇航向改变与航向保持过程中表现出不同的控制特性,分别设计了航向保持模糊控制器、航向改变模糊控制器。为验证算法的有效性,采用Abkowitz非线性水面无人艇运动模型在无干扰和有干扰的情况下分别进行了仿真,并对控制器的性能进行了验证和分析。