1. 研究目的与意义（文献综述）

1. 目的

随着21世纪的到来，世界经济进入全球化发展，各国之间展开了激烈的竞争，随之而来的就是资源的需求日趋庞大，并且由于陆地资源的稀缺以及世界人口的增多，各国需要更多的资源。海洋占据着地球的三分之二，但是仅有一小部分被人们充分利用，这就使人们将目标转向了海洋，人类迫切需要对海洋进行开发。然而由于气候变化，环境异常，人员需求和国家安全等因素，很多情况下无法对海洋进行充分开发，于是人们将目光转向无人艇。尽管如此，全自主无人艇仍然由于其自动化和可靠性方面的不足而得不到广泛运用。随着无人艇的发展，对其gnc(guidance,navigation and control)系统的要求也越来越高。gnc解决自主控制或远程控制的水下，水上或空中航行器的系统设计问题。通过本课题的研究，找出并验证有效的船舶自主循迹的控制方法，并通过对控制模型参数的修改达到优化的效果，对智能船舶自主循迹控制及优化方法进行仿真和评价，为智能船舶自主循迹控制提供有效的手段。

2. 国内外现状分析

gnc系统是欠驱无人艇航行系统中的核心部分，目前是作为usv控制系统中的主要系统。gnc系统分为引导(guidance)，导航(navigation)和控制(control)三部分：

2.1 引导

自主循迹系统早期的一个版本是由elmer sperry(1860-1930)提出的自动驾驶系统，其可以控制航行器在没有连续的人为干预下航行。最早期的自动驾驶系统只能保持一个设定好的航向行驶，高级的版本可以执行复杂的操作，例如转向和停靠。minorsky(1922)[1]对定位反馈控制系统给出了细致的分析，他在其中建立了三方面的控制律，即今天为人们所知的pid控制。随着基于pid的自动驾驶系统和局部定位系统的巨大成功，pid控制器得以在水平运动控制上有所作用，其后来被称为动力定位(dynamicpositioning)系统。动力定位系统的成功以及全球定位系统的发展，航点跟踪和循迹控制系统现在得到了广泛的关注。在上世纪70年代，基于pid的自动驾驶系统的成功又衍生出了动力定位系统。动力定位系统的成功以及全球定位系统的发展，航点跟踪和路径跟踪控制系统现在得到了广泛的关注[2]。breivik和fossen[3]提出的line-of-sight(los)引导律目前被广泛用于路径跟踪控制中。然而尽管los引导律有着简洁高效等特点，但是当船受到环境影响的时候会有着诸多限制。因为欠驱艇通常没有横荡方向的直接控制力，所以当船受到横荡方向的环境干扰时会产生首向偏角，这对自主循迹是一个挑战。在二维平面的循迹控制中，分为直线路径下的控制和曲线路径下的控制，典型的引导方法有line-of-sight(los)引导律，pure pursuit引导律，以及constant bearing引导律，其中视距(line of sight)引导律大部分被广泛采用。为了克服这一缺点，又出现了integral los(ilos)引导律[4]，其通过在传统的los引导律中加入积分项来减轻侧滑角的影响。另一个adaptive los(alos)引导律[5]将侧滑角看作是一个未知的固定参数来估计，实际上alos也是一种ilos。但是ilos和alos都有局限性，它们都只能处理定值侧滑角，然而在实际中船舶循迹时由于环境载荷是变化的。最新的成果是基于eos(extended state observer)的los引导律[6]，其可以处理随时间变化的侧滑角，并且可以在侧滑对循迹产生影响之前通过估计主动消除侧滑的影响，学习过程极短。

2. 研究的基本内容与方案

1. 基本内容

(1)学习船舶智能航行系统功能、系统构成及工作原理，学习船舶运动数学模型建立方法，环境载荷计算方法，船舶自主循迹控制方法，综述智能船舶自主循迹控制方法。

(2)采用los引导律根据预先给出的路径并考虑侧滑角来计算船舶的航向。

(3)根据期望航速、引导律中计算的航向、环境力模型中的风浪流模型通过基于pid控制方法对推进器进行控制。

3. 研究计划与安排

第1周：查找文献以及阅读文献，了解船舶操纵数学模型、环境载荷计算方法、船舶自主循迹控制方法；

第2周：阅读有关资料，形成研究思路和技术路线，完成开题报告的撰写；

第3周：了解智能船舶航行系统的功能、构成及工作原理，分析船舶操纵数学模型，熟悉matlab仿真平台；

4. 参考文献（12篇以上）

[1] minorsky n. directional stability ofautomatic steered bodies [j]. journal of the american society of navalengineers, 1922, 34(2): 280-309.

[2] fossen t i. handbook of marine crafthydrodynamics and motion control [m]. new york, ny, usa: wiley, 2011.

[3] breivik m, fossen t i. path following formarine surface vessels; proceedings of the oceans '04 mtts/ieee techno-ocean'04, kobe, japan, f 9-12 nov, 2004 [c]. ieee.