欠驱动无人船的运动控制设计*

李欧雪， 周宇生

(贵州大学 数学与统计学院，贵阳 550025)

0 引 言

无人船技术及其产品具有广阔的市场前景[1]，如在海面污染状况检测、清污作业、水面远程医疗服务和特殊海洋环境作业等领域具有不可替代的作用。无人船系统是一种典型的二阶非完整约束动力系统，其输入控制量为前向推力和旋转力矩。为了使三自由度欠驱动无人船在复杂的环境中具有灵活的航行能力，则需要解决欠驱动无人船的精确轨迹跟踪控制问题。然而，由于非完整约束和欠驱动因素的影响，导致其轨迹跟踪问题变得困难。关于欠驱动无人船的轨迹跟踪控制问题，国内外已经积累了大量的控制方法，如PID控制、反馈线性化控制、模糊控制、神经网络控制、自适应控制、滑模控制和Backstepping控制等。但这些方法在欠驱动和非完整约束下控制精度难以满足需求。例如：文献[2-3]为实现欠驱动船舶在模型参数不确定和外界风浪流干扰情况下水平面的航迹跟踪控制， 提出了滑模鲁棒控制方法，实现欠驱动船舶在模型参数不确定和外界风浪流干扰情况下水平面的航迹跟踪控制。文献[4]针对船舶航向非线性系统，提出了一种基于神经网络方法的鲁棒跟踪控制器，仿真结果表明其具有较好的控制性能。文献[5-6]主要设计Backstepping控制律，利用李雅普诺夫稳定性理论证明船舶位置信息的全局指数稳定，对船舶进行轨迹跟踪控制。文献[7-8]研究了船舶控制的PID控制算法，通过仿真计算结果说明了PID控制算法的有效性。……