欠驱动水面艇的运动约束分析及预测控制方法

现有的水面滑行艇推进装置为喷水推进器，传统控制方法是通过喷水转角来实现对水面艇航向的控制，继而通过控制航向来实现艇体位置的间接控制。若要实现航向、位置的直接控制，需要依靠调节喷水角度和喷水推力这2个控制输入来同时控制水面艇水平面3个自由度的运动，此时的水面艇控制系统则属于典型的欠驱动系统。为保证水面滑行艇运动的安全性，水面滑行艇运动过程中必须满足诸如喷水角度和回转半径限制等许多约束条件，设计水面滑行艇运动控制器必须充分考虑这些约束的影响，否则会损害水面滑行艇的运用性能，甚至导致艇体倾覆等严重后果。带有约束的欠驱动系统是本质非线性系统，不存在光滑时不变反馈控制律，针对这类系统缺乏有效的控制手段。预测控制是一种能够有效处理约束的优化控制方法，本研究旨在深入分析水面滑行艇的欠驱动特性，建立保证水面艇安全运行的约束条件，基于预测控制方法，解决满足安全运行约束条件的欠驱动水面艇的镇定和轨迹跟踪问题。

本研究以欠驱动水面船舶为研究对象，进行了以下研究工作：.（1）为实现欠驱动水面船舶的点镇定控制，提出了一种基于时不变状态反馈的切换控制方法。首先利用全局微分同胚变换将船舶的位置变量变换到一种新的随动坐标系中，实现多变量耦合状态的初步解耦，并对系统之间的相互影响进行了稳定性分析，最后利用反步法设计了以艏摇状态作为切换条件的点镇定控制律，实现了欠驱动水面船舶系统的全局渐近稳定。.（2）为克服时不变切换控制本身带有的非连续性缺陷，实现欠驱动水面船舶的光滑连续控制，提出了一种基于时变状态反馈的解耦控制方法。首先采用全局微分同胚变换实现控制器设计的初步简化，然后通过引入一种时变状态变换，从而将整个本质非线性强耦合系统的点镇定控制问题转化为两个具有单向耦合影响的线性子系统的点镇定问题。.（3）为实现欠驱动水面船舶的全局航迹跟踪控制，提出了一种级联反步分解设计方法。首先推导了欠驱动水面船舶航迹跟踪的误差动态方程，由此将航迹跟踪问题转化为误差动态系统的镇定问题。由于每个子系统均带有独立的控制输入，使得可为每个子系统设计全局指数稳定的控制律。.（4）为解决欠驱动水面船舶的模型参数辨识不精确下参数摄动及外界环境干扰下的航迹跟踪控制问题，利用基于上下界的滑模控制方法设计了滑模跟踪控制器，克服了欠驱动水面船舶的航迹跟踪控制所面临的可总结为持续激励“persistent excitation(PE)” 的技术难题。首先利用反步法将控制器的设计过程分解为运动学回路和动力学回路两个过程分别进行控制器设计。其次，在运动学回路中，计了船舶的参考纵向速度和侧移速度；在动力学回中利用滑模控制方法设计实际控制输入实际对参考速度的跟踪控制。.（5）分析了船舶在不同推力、不同喷口角度时的转向角速度、横倾角度和航速的开环变化规律，给出各状态的包络线，同时为确保船舶安全运行的目的，给出了在转向过程中横倾角度与对应的航向转角的相对关系，并得到无人艇高速航行时保证安全运动条件下最大转角的边界条件。为保证无人艇安全运动，针对带有运动约束的欠驱动无人艇，利用微分同胚变换，结合Lyapunov意义的稳定约束，构造了给定控制律下系统的不变流形约束，以非线性预测控制的形式给出了带有约束条件下的欠驱动水面艇镇定控制器的设计方法。