本文是一篇电气工程管理论文，本文以欠驱动无人船为研究对象，研究了基于双偶极向量场的无人船目标跟踪制导与控制问题，并搭建相应的实验平台对所提方法进行实验验证。
1 绪论
1.1 研究背景与意义
海洋占据着地球三分之二以上的表面积，蕴藏着丰富的矿产资源、生物资源和水资源，已经成为人类生存和发展的战略空间和资源要地，在推动人类可持续发展中起到不可忽视的作用[1] 。随着世界经济的飞速发展，以及由人口急剧增加所带来的环境污染问题、资源短缺问题逐渐显现，合理利用海洋资源、重视海洋空间和维护海洋空间权益成为各国的战略重点[2]。
与陆地不同的是，海洋环境恶劣，情况复杂多变，要想合理利用海洋资源、维护海洋权益，就需要找到合适的海洋运载设备。无人船（unmanned surface vehicle，简称USV）是多种现代高技术的集成产物，是一种可以实现海洋自主航行或远程遥控的智能化、多用途的小型运载平台，具有成本低、小巧灵活和扩展性强等优点，可以在特定环境下代替人工执行某些任务，如海洋资源环境检测和勘探、海洋数据搜集、海洋事故救援以及海洋领土的侦察与巡逻等[3]-[7]，在各个领域有着广泛的应用前景。
近年来，各海洋强国都在大力推进无人船的研发和应用工作，无人船的自主能力和智能水平在不断的提高[7]。目标跟踪是无人船的基本运动方式之一，作为一种跨学科的前沿技术，融合了图像处理、模式识别、人工智能、自动控制等多种不同领域的理论知识[8]。无人船的目标跟踪技术，在军事与民事领域都具有重要的应用价值。在军事领域，无人船目标跟踪技术可以用于识别跟踪近海岸的入侵船只，用于海岸港口巡查，实现近海岸防御。除此之外，无人船在军事领域还可以用于满足反雷、反潜和情报收集等多种任务的需求，能够显著降低士兵的伤亡风险[9]。在民用领域，无人船目标跟踪技术可以用于海洋勘探、海洋生物识别与跟踪、以及开发海洋资源等[10]。除此之外，目标跟踪技术还可以用于海洋搜索与营救，跟踪失事船只等[11]。与人为操纵船只相比，无人船具有成本低、效率高和安全性能有保障等优势，成为国内外研究的热点话题。无人机在跟踪目标任务时，没有其他物体阻挡在追踪路线上，可以自由设计航向与航速，而无人船却不同，海洋环境复杂，会有多种障碍物出现，有岛礁和停靠的船只等静态障碍物，有行驶中的船舶等动态障碍物，在这种复杂环境下来实现安全目标跟踪，就有诸多限制[12]。
..............................
1.2 研究现状
1.2.1 国内外无人船发展现状
每当军事上需要一种新的技术理论，那么这项技术一定可以得到各国的支持，并且应用领域会逐渐的从军事转变到民用，从而得到更为广泛的支持。无人船也不例外，国际上出于军事领域的用途，开始对无人船进行研究。无人船最早的应用是在第二次世界大战期间，美国海军的无人艇装备了火炮系统，通过远程控制炮弹的发射装置，给敌方带来了沉重的打击[13]，除此之外，加拿大的“科莫克斯”无人船按照既定航线完成登陆[14]。至此之后，随着无线电技术、材料科学、自动控制技术以及导航技术领域的突破，为无人船的开发提供了充分的技术支持[15]。
21世纪初，美国海军在《21世纪海上力量—海军建设》中提出，美国会在未来的网络化作战系统中，会逐渐应用高科技的无人船设备[16]。之后在2007年7月发布的《海军无人水面艇主计划》中，设定了无人船的任务计划，指明了美国未来无人船的发展方向以及发展中的难点，同时也标志着美国的无人船领域进入了快速发展阶段[17]。近些年来，美国海军加大了对无人船的投资，致力于推进无人船作为军事武器的应用和发展，“斯巴达侦察兵”（Spartan Scout）无人船可以作为这一时期的典型代表，并参加了多次实战任务。如图 1.1(a)所示，为斯巴达侦察兵无人船，它是在两种长为7m和11m的充气小艇基础上通过模块化设计而来，可以在短时间内完成不同功能模块的配备，不仅可以降低成本，承担多种任务，而且很好地解决了上舰问题。“海上猎人”号是三体船，长为40米，重140吨，于2014年开始建造，在2016年下水测试，各项指标均处于世界领先水平，如图 1.1(b)所示，为“海上猎人”号无人船[17]。
以色列在无人船领域的发展仅次于美国之后，由以色列国防部研发的“保护者”（Protector）号在多次军事演习中大放异彩，如图 1.1 (c)所示，“保护者”号已经在本土和新加坡海军服役，是最早且最成熟的项目，其改善了物理结构，并采用了新型的材料，具有高度隐身效果，配备了多种探测传感设备以及武器作战系统。“银色马林鱼”（Silver Marlin）由埃尔比特（Elbit）公司设计研发，有一套自主决策系统，根据环境信息以及执行任务的不同，来保持最佳航速以及最佳燃油消耗[18]。
...............................
2 基础知识与模型介绍
2.2滑模控制基本原理
对于非线性不确定系统，滑模控制（Sliding Mode Control）是一种有效的控制方法，其典型有点是鲁棒性较强。滑模控制为控制对象设计一个特殊的超平面和控制律，来控制被控对象的误差或误差变化率，使系统按照设定的轨迹做小幅度、高频率的运动，即“滑模”运动[49]。
电气自动化论文怎么写
终止点C比一般点A和起始点B有更为实际的意义。例如将切换平面设计成无人船的给定速度与实际速度的误差，并为其设置一个开关函数，使得给定速度与实际速度误差的运动轨迹在切换平面上做滑模运动，误差可以在小范围内波动，如所示，为滑模运动轨迹，可以将其分为两部分：趋近运动以及沿切换平面的滑模运动。第一部分趋近运动，可以引入趋近律来改善趋近运动时的动态性能，比如比例和指数趋近；第二部分滑模运动是主要控制区域。
2.3 欠驱动无人船模型
根据不同的无人船运动控制方式，可以将无人船分为固定双桨、单桨单舵和可回转桨。本文的研究对象为固定双桨推进的欠驱动无人船，由于没有转舵机构，固定双桨型的无人船依靠双桨推力之和实现前进，推力之差实现转向，这种控制方式结构简单，操纵更加灵活。
基于现有的船舶建模理论，欠驱动无人船一般采用分离型数学模型来建模。无人船数学模型是将复杂海洋环境下无人船系统的输入输出关系用数学公式来表达。欠驱动无人船数学模型需要满足以下假设：（1）船体整体质量分布均匀且关于中轴对称；（2）忽略地球自转的影响，即忽略地球表面任意一点的加速度[52]。
无人船在水中的运动与6个方向的自由度有关，分别为纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇和艏摇，其中垂荡、横摇和纵摇对无人艇的影响可以忽略不计，只考虑平面运动。如图 2.7 所示，可以用两种坐标系来描述无人船在水中的运动，即地球坐标系和船体坐标系[53]。地球坐标系（XE-YE）的X轴和Y轴平面与地球表面相切，原点为地球上的一点，正北为X轴，正东为Y轴；船体坐标系（XB-YB）的X轴和Y轴平面与海平面平行，原点为无人船船体，船艏方向为X轴，垂直与左舷且平行于海平面的方向为Y轴。
本文的研究对象是由实验室自主研发的固定双桨推进的无人船，主要可以分为三个模块：岸基监控系统、通信系统和船载控制系统。岸基监控系统主要负责接受无人船的状态信息，并实时显示；通信系统负责船与岸基和船与船之间的通信，将无人船的状态信息打包传给岸基和相邻的船；船载控制系统由树莓派Raspberry Pi和Pixhawk组成，树莓派负责运行制导算法，将制导信息通过串口传给Pixhawk，Pixhawk负责运行控制算法，跟踪制导信号，将外围传感器的信息传给树莓派，由此形成一个闭环的回路。
.....................................
3 基于双偶极向量场的无人船目标跟踪制导 ........................... 19
3.1 引言 .......................... 19
3.2 问题描述 ..................................... 19
3.3 制导律设计及稳定性分析 .................................. 21
4 基于双偶极向量场的无人船安全目标跟踪制导 ............................... 31
4.1 引言 ........................................ 31
4.2 问题描述 ................................... 31
4.3 控制器设计 .............................. 33
5 基于超螺旋滑模控制器的无人船动力学控制 ...................... 58
5.1 引言 .......................................... 58
5.2 问题描述 ...................................... 58
5.3 控制器设计及稳定性分析 ..................... 59
5 基于超螺旋滑模控制器的无人船动力学控制
5.1 引言
电气自动化论文参考
前两章是在制导层进行无人船的安全目标跟踪，是关于运动学的控制，通过给定无人船的期望速度与角速度来实现跟踪目标的同时，规避静态与动态障碍物。但在前两章基于运动学的控制中，并未考虑到无人船的动力学模型，而无人船要达到给定速度和给定艏摇角速度，需要前向推力和艏摇推力的作用，所以对无人船动力学的研究是有实际意义的
公式章 (下一章) 节 1 第二章的2.2节介绍了滑模控制的基本原理，并介绍了一阶滑模产生抖振的原因，和削弱滑模控制器抖振的方法，例如准滑模动态法、滤波法和高阶滑模控制法等。在高阶滑模控制方法中，二阶滑模的控制方法易于实现且应用广泛，但可能需要较多的信息，例如给定收敛算法和Twisting算法需要滑模的导数信息。但是二阶滑模算法中的超螺旋算法除了滑模信息之外不需要其他的信息，使得计算较为简便。
在前两章中，基于双偶极向量场原理，为无人船设计了期望前向速度和期望角速度，在本节中，设计了超螺旋滑模速度控制器来跟踪给定前向速度，虽然超螺旋控制器对扰动有一定的抑制能力，当系统收到较大的扰动时，系统会产生波动，影响系统的稳定性，因此为了增加系统对扰动的抑制能力，增加系统稳定性，本节设计了超螺旋观测器来估计模型不确定性和未知扰动。
............................
结论
海洋是人类可持续发展的战略空间和资源要地。无人船作为新兴的海上交通工具，在对海洋利用、开发和保护等方面有着明显的优势。本文以欠驱动无人船为研究对象，研究了基于双偶极向量场的无人船目标跟踪制导与控制问题，并搭建相应的实验平台对所提方法进行实验验证，截止目前，取得的研究结果如下：
第一，在运动学层级，基于双偶极向量场的原理，设计了无人船前向速度和艏摇角速度制导律，提出了一种基于双偶极向量场的无人船目标跟踪制导方法。在双偶极向量场的作用下，无人船直接跟踪向量场的场线方向，避免由初始角度误差过大带来的振荡和超调问题，提高无人船跟踪的暂态性能，使无人船的跟踪轨迹更为光滑，通过稳定性分析证明了控制系统是有界稳定的，并收敛到目标点附近的邻域内。最后，通过仿真与实验，并加入对照组，验证了所提基于双偶极向量场的无人船目标跟踪制导方法的有效性。
第二，考虑到无人船在目标跟踪过程中会遇到静态动态障碍物，提出了基于合成向量场的无人船安全目标跟踪制导方法。通过引入直线场与排斥场，结合向量场的合成公式，得到了合成向量场，进而基于合成向量场，设计了基于合成向量场的无人船前向速度与艏摇角速度制导律，实现了在跟踪目标的同时，规避静态与动态障碍物。考虑到目标点与障碍物的运动状态会影响到合成向量场，通过四组仿真与四组实验，验证了所提基于合成向量场的无人船安全目标跟踪制导方法的有效性。
第三，为了跟踪由运动学层级制导方法所得到的制导信号，在动力学层级，设计了超螺旋滑模控制器；由于模型不确定性和未知海洋扰动的存在，设计了超螺旋观测器。然后，采用级联系统稳定性分析证明了闭环系统是输入状态稳定的。最后通过仿真与实验，验证了所提超螺旋滑模控制器的有效性。
参考文献（略）