基于模型预测控制的无人船航迹控制算法研究

• 作 者: 杨田田
• 出 处: 武汉理工大学
• 发表日期: 2019年01期
• 关键词: 水面无人船 航迹控制 模型预测控制 模拟退火

精准的航迹控制是无人船执行各项任务的基础保障,也是无人船运动控制领域的研究热点。无人船在实际航行环境中会受到外部干扰的影响,导致产生模型不确定性的问题。模型预测控制采用反馈校正,可应对多种不确定性问题(包括系统干扰、模型失配等),并通过滚动优化策略在线求解局部最优化问题,极大地减少了在线优化计算量,提高算法的响应速度。因此,本文基于模型预测控制理论对水面无人船航迹控制的准确性和稳定性问题进行研究,主要完成工作如下:1)首先,阐述了支撑本文算法设计的基础理论,包括无人船数学模型、模型预测控制算法以及LOS视线制导算法的基本原理。然后,基于试验船的操纵性实验数据,根据无人船数学模型的相关理论建立了试验船的操纵性数学模型,用于对本文所设计的算法进行性能验证。2)其次,针对水面无人船的航向控制问题:主要包括水面无人船本身存在操舵约束的情况和航行过程中存在风浪流等扰动。本文设计了一种基于预测函数控制的水面无人船航向控制器,该控制器采用先预测后控制的思想,在线求解最优控制量的过程中充分考虑上述约束及干扰对航向控制的影响,从而实现对干扰的及时补偿。然后,对基于预测函数控制的航向控制器进行了仿真实验,并与基于传统PID控制的航向控制器进行对比分析,以此验证该控制器的有效性,为后续航迹间接控制算法的设计提供支撑。3)最后,针对水面无人船的航迹控制问题,提出了直接型航迹控制和间接型航迹控制两种控制方案。间接型航迹控制中,将LOS视线制导算法与预测函数控制相结合,提出了一种基于LOS+PFC的航迹控制系统。在Matlab仿真工具中进行航迹跟踪实验,验证了该控制器相较于传统LOS+PID型的航迹控制器的先进性。直接型航迹控制中,针对无人船航迹控制中容易出现的非线性、时滞性问题,本文采用非线性模型预测控制(NMPC)算法对水面无人船进行直接航迹控制,并采用模拟退火算法对预测控制算法进行最优控制序列求解,进一步提高航迹控制的准确性和实时性。在Matlab仿真工具中进行航迹跟踪实验,验证了该控制器良好的控制效果。