基于神经动态模型的自治水面艇智能跟踪控制

【摘要】摘要：自治水面艇是一种能够在水面上自主航行且完成各种复杂任务的水上机器人运载平台。由于它具有体积小、机动灵活、隐蔽性好以及无人驾驶等特点,使其在民用、军事以及国防建设等方面具有非常广泛的应用背景。然而要对自治水面艇进行运动控制研究却仍然具有很大的挑战性,因为它的控制涉及到船舶系统、机器人控制和非线性系统等多领域。轨迹跟踪控制是目前自治水面艇运动控制的一个重要研究方向,它要求自治水面艇在有限的时间内到达并准确地跟踪期望的运动轨迹,直到目标位置。由于自治水面艇是一个艇与水的强耦合系统,在实际应用中难以获得系统精确的模型参数,特别是水动力参数必须经过反复的实验才能得到,加上水流等干扰的影响,就使得自治水面艇的安全和稳定运行变得非常困难。另一方面,目前绝大部分的自治水面艇又由于缺少侧向推进器而成为一类典型欠驱动机械系统,对这类自治水面艇进行跟踪控制更加复杂,具有非常大的挑战性。基于以上背景,本文对自治水面艇的轨迹跟踪控制进行深入研究,通过引入具有连续平滑动态输入输出特性的神经动态模型,分别针对具有未知动力学参数的全驱动和欠驱动自治水面艇,提出基于神经动态模型的智能跟踪控制方法。论文的主要研究成果及创新点如下：第一、针对受未知水流影响的自治水面艇,提出一种基于神经动态模型的轨迹跟踪控制方法。对于受水流影响的自治水面艇,连续并且平滑的速度控制对系统的安全和稳定操作非常重要。为此,本文提出一种基于神经动态模型的轨迹跟踪控制方法。首先,从系统的跟踪误差方程出发,基于Lyapunov函数进行跟踪控制器设计；然后,受生物特性启发,创新性地引入三个神经动态模型,将其输出作为跟踪控制器的组成部分,利用神经动态模型的平滑输入输出特性,实现系统控制中速度信号的连续与平滑；最后,针对未知的水流干扰,提出一种简单的观测器设计方法,通过Lyapunov稳定性分析保证控制系统的稳定性。第二、针对具有未知动力学参数的全驱动自治水面艇,提出一种有效的神经网络跟踪控制方法。首先,对全驱动自治水面艇的动力学模型进行回归处理,将其转变成包含模型参数的未知部分和能测的已知部分,然后引入一单层结构的神经网络,基于Lyapunov函数和稳定性理论,进行神经网络控制器设计和有效的学习算法研究,同时进行干扰补偿控制设计,实现自治水面艇在未知动力学参数和干扰情况下的轨迹跟踪控制。与其他的跟踪控制方法相比,所提控制器采用了单层结构的神经网络,不仅结构简单,而且学习算法有效。第三、针对欠驱动情况下的自治水面艇,提出一种新的基于神经动态模型的反步跟踪控制方法。反步法是实现欠驱动自治水面艇跟踪控制的有效方法,但是在设计过程中需要对虚拟速度控制量进行复杂的求导运算。为此,本文提出一种基于神经动态模型的反步跟踪控制设计方法。通过引入神经动态系统,将反步设计过程中求得的虚拟速度控制量经过相应的神经动态模型,用神经动态模型的平滑输出代替虚拟控制量,从而避免复杂的求导运算,最后基于Lyapunov稳定性理论进行系统稳定性分析,保证控制系统的稳定性。第四、针对具有未知动力学参数的欠驱动自治水面艇,提出一种结合反步法、神经动态模型和神经网络的智能集成跟踪控制方法。首先,基于反步设计法进行跟踪控制器设计；其次,考虑到反步设计中存在的计算复杂问题,把受生物启发的神经动态模型引入到控制器的设计当中；然后,引入一单层结构的神经网络对控制器中未知的动力学参数进行在线估计；最后,基于Lyapunov稳定性理论推导神经网络有效的学习算法,保证控制系统的稳定性。这样设计的控制算法不但降低了控制系统的计算复杂度,而且克服了控制对系统精确模型参数的依赖性,具有重要的应用价值。
【作者】潘昌忠；
【导师】赖旭芝；SimonX.Yang；
【作者基本信息】中南大学，控制科学与工程，2013，博士
【关键词】神经动态；自治水面艇；跟踪控制；欠驱动系统；反步法；

【参考文献】
[1]刘铁鑫.商业银行小企业业务信贷风险控制研究[D].内蒙古大学,会计,2014,硕士.
[2]马召贵,王尚旭,宋建勇.频率域波动方程正演中的多网格迭代算法[J].石油地球物理勘探,2010,01:1-5+164+167.
[3]杨智.新生血管性青光眼不同治疗方法疗效对比分析[D].大连医科大学,眼科学,2012,硕士.
[4]吕翔.ASME对《使用与规定不完全相同材料》的最新增补[J].发电设备.1988(10)
[5]高莎.“三道弯”体态形成的文化背景与地域特征分析[D].西安音乐学院,舞蹈学,2013,硕士.
[6]文龙.功能化杯芳烃修饰仿生纳米通道的构建及其性能研究[D].华中师范大学,有机化学,2013,硕士.
[7]万旻轩.高校“学长制”的模式与成效探析[D].江西农业大学,思想政治教育,2011,硕士.
[8]张定高.论罗蒂协同性实用主义真理观[D].南京师范大学,科学技术哲学,2012,硕士.
[9]师向东.Y公司煤气一体化发展战略研究[D].西北大学,工商管理（专业学位）,2012,硕士.
[10]刘建丽,张文珂,张芳芳.中央国有企业投资管控效率对股东回报的影响——基于国有企业股权多元化目标的研究[J].中国工业经济,2014,08:109-121.
[11]朱仁初,周树宇.一种高分辨率宽范围的数字转速检测方法[J].冶金自动化,1988,05:32-36.
[12]王彩虹,薛龙彦.高校图书馆发表期刊论文的h指数关联因素比较研究[J].情报探索,2015,01:42-48.
[13]徐雅臣.辽宁省物流轴辐式网络设计问题研究[D].辽宁工程技术大学,产业经济学,2012,硕士.
[14]潘科钢（PhanKhoaCuong）.基于计划行为理论的越南股票市场个人投资者决策行为分析[D].上海大学,管理科学与工程,2014,博士.
[15]杨文博.柬埔寨混合型法庭研究[D].吉林大学,法律,2014,硕士.
[16]柳盈莹.媒介变迁与少数民族文化传播[D].复旦大学,新闻学,2012,硕士.
[17]杨波.关联交易对我国亏损上市公司价值的影响研究[D].西南大学,会计学,2014,硕士.
[18]宋歌.血思饮胶囊治疗慢性原发性血小板减少性紫癜的临床观察[D].黑龙江中医药大学,中医内科学,2004,硕士.
[19]王杨.基于VaR和CVaR的我国开放式基金绩效评价[D].浙江工商大学,统计学,2013,硕士.
[20]樊双喜,钟其顶,李国辉,王健,熊正河,邹慧君,钱斌,周建弟,谢广发,李艳.近红外光谱法快速检测黄酒中氨基酸态氮的模型优化研究[J].酿酒科技.
[21]孔妍,孙利华.北京生物医药产业的跨越式发展:问题与对策[J].中国组织工程研究,2015,03:483-487.
[22]刘世平,姚玉辉.数据挖掘工具的评判[J].数字财富,2003,06:74-76.
[23]吴文明.张艳教授治疗原发性高血压的经验总结[D].辽宁中医药大学,中医临床（专业学位）,2012,硕士.
[24]赵佳.陆地棉亚红株（Rs）候选基因的克隆和功能分析[D].西南大学,生物化学与分子生物学,2014,硕士.
[25]陈静茜.夸示与操纵:基于LBS的城市文化符码与生活方式建构——以上海人民广场微博客使用为例[J].浙江传媒学院学报,2014,06:31-36.
[26]姜全国.掺杂及电场条件下石墨烯若干催化过程的第一原理研究[D].吉林大学,2014.
[27]施展武,杨莉,甘德强.PAB和MCP电价机制下考虑不同容量水平的市场均衡分析[J].电力系统自动化,2005,19:10-13.
[28]王星元.基于战略导向的建筑公司绩效管理体系研究[D].华中师范大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[29]宋宁.农业龙头企业可持续发展研究[D].江西农业大学,农村与区域发展,2012,硕士.
[30]王金龙.毒品犯罪死刑适用研究[D].西南政法大学,刑法学,2012,硕士.
[31]刘颂.电子商务职业分类体系构建研究[D].华中师范大学,情报学,2014,硕士.
[32]李震东,董利民.网同步设备[J].现代电信科技.1996(01)
[33]李兴宇.含双吡啶基团鎳二硫纶化合物的合成及性质研究[D].苏州大学,无机化学,2013,硕士.
[34]王利蕊.《纽约时报》对华经济报道的批评性话语分析[D].河北师范大学,英语语言文学,2013,硕士.
[35]齐乃明,阳勇,黄盘兴,孙康,韩冰.结构偏差对二维连续地月转移系统动力学影响[J].北京航空航天大学学报.
[36]本报记者郑旺.石墨烯产业化快马加鞭[N].中华工商时报,2014-01-24A04.
[37]王英珉.风电出力短期预测技术研究[D].华中科技大学,电气工程,2013,硕士.
[38]任宝金.论我国家族企业公司治理制度的不足及完善[D].中南民族大学,法律（专业学位）,2013,硕士.
[39]李晔.天元文化艺术学校发展战略研究[D].吉林大学,工商管理,2012,硕士.
[40]雷文星.БM-21火箭弹改型气动力特性分析[D].中北大学,火炮、自动武器与弹药工程,2013,硕士.
[41]郭树祥.分频剩余静校正方法及应用效果分析[J].石油地球物理勘探,2001,06:49-48+47-46+45-0.
[42]马丹.企业视角的大学生就业能力素质研究[D].杭州电子科技大学,思想政治教育,2011,硕士.
[43]王程媛,王世杰,容丽,罗绪强.茂兰喀斯特地区常见蕨类植物的钙含量特征及高钙适应方式分析[J].植物生态学报,2011,10:1061-1069.
[44]权琳.中医案例自测系统并行数据库的设计与实现[D].西北大学,计算机系统结构,2013,硕士.
[45]于红.信息技术与数学教育[D].武汉纺织大学,计算机应用技术,2013,硕士.
[46]宋姗.纤维支气管镜下白蛋白泡沫定位气胸肺破裂相关支气管[D].河北医科大学,内科学（专业学位）,2014,硕士.
[47]冯蓓娜.大学生网络消费价值观研究[D].湖南大学,高等教育学,2011,硕士.
[48]杨东赤.基于时刻表的轨道交通配流问题研究[D].北京交通大学,2013.
[49]张静静.原发性肝癌肝动脉化疗栓塞术及其联合二期手术切除的临床分析[D].郑州大学,临床医学（专业学位）,2013,硕士.
[50]赵克薇.通货膨胀对我国税收负担的影响[D].北京交通大学,2014.