摘 要

强非线性系统充满了不确定性，在这种情况下想要控制无人船（USV）的跟踪轨迹是尤其困难的。想要设计一个自然环境下的无人船运动控制系统就要对无人船船只参数和受力情况进行数学建模，再者就是要建立海上的风浪干扰模型。在这两个数学模型的基础上才能设计无人运动控制系统。

在研究应对环境干涉与面对障碍物自动回避的过程中，可视化运动控制在无人船运动控制系统中具有非常重要的意义。需要建立风和波浪的干扰数学模型与在此干扰下的无人船运动数学模型。由实际模型来设置一连串接近真实的条件约束，进而运用模型预测控制（MPC）算法来不断修正水上无人船的运动状态，使其能够按照预期轨迹运行。先用VC 编程语言与Matlab共同编程构造无人船的运动控制可视化仿真系统来验证无人船控制系统的可行性。在仿真过程中应该能够实时显示无人船的运动轨迹和无人船运动的相关动态参数的变化情况。在仿真实验中，系统应该能够较好的模拟无人船的实际航行轨迹。

本次毕业设计中需要实现的功能有实时记录无人船的运动轨迹并且将它显示出来、能够设定船只数据和初始环境数据、显示无人船当前的运动状态、对比设定轨迹显示误差并且进行误差分析方便反馈修正。

关键词：无人船；模型预测控制算法；Matlab；VC ；编程；仿真

Abstract

The strong nonlinear systems are fraught with uncertainty, and it is particularly difficult to control the trajectory of unmanned ships (USV) in this case. It is necessary to design a natural environment of the unmanned vehicle motion control system will be unmanned boat vessel parameters and force of the mathematical model, and that is to establish the sea storm interference model. On the basis of these two mathematical models to design unmanned motion control system.

Visualization of motion control is of great significance in the unmanned vehicle motion control system in the process of studying the response to environmental interference and the automatic avoidance of obstacles. It is necessary to establish the mathematical model of disturbance of wind and waves and the mathematical model of unmanned aerial motion under this interference. (MPC) algorithm is used to constantly correct the motion state of the unmanned ships on the water, so that it can run according to the expected trajectory. The motion control visualization simulation system of unmanned ships is constructed by using VC programming language and Matlab to verify the feasibility of unmanned ship control system. In the simulation process should be able to real-time display unmanned boat movement trajectory and unmanned aerial motion related to the dynamic parameters of the changes. In the simulation experiment, the system should be able to better simulate the actual navigation trajectory of unmanned ships.

The function needed in this graduation design is to record the motion trajectory of the unmanned boat in real time and display it. It can set the vessel data and the initial environmental data, display the current state of motion of the unmanned boat, compare the set track display error and Error analysis for easy feedback correction.

Key words: unmanned ship; model predictive control algorithm; Matlab; VC ; programming; simulation

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究意义与背景 1

1.2 国内外发展现状 2

1.3 无人船的发展趋势 6

1.4 课题研究内容 7

第2章 MATLAB与MPC 8

2.1 仿真软件的介绍 8

2.2 相关原理的参考 8

第3章 运动系统的数据处理 10

3.1 外界干扰下的无人船模型建立 10

3.2 基与模型预测控制的轨迹跟踪器设计 11

3.3 状态空间模型离散化 12

3.4 设计轨迹跟踪控制器 14

第4章 仿真系统设计 17

4.1 模块设计 17

4.2 MATLAB的M程序流程图 17

4.3 无人船运动控制仿真系统的界面设计 19

4.4 软件运行步骤 21

第五章 结论 24

致谢 25

参考文献 26

绪论

1.1 研究意义与背景

在海洋应用中自动控制系统是一个有趣的问题。近年来，这项研究已经从控制载人飞船扩展到包括无人驾驶船只。水面舰艇（ASV）与无人地面车辆（USV）的普及与提高可以在各种应用中广泛看到。运输服务的需求和对更高安全水平的需求一直是推动道路车辆系统跟踪控制的总动力。这几种情况下船只可用于搜索和救援，泄漏的收集、监控、放网、地图创建、交通、勘探任务，环境监测，海洋调查，沿海和内陆的监测等，（出于减少危险环境中的人为干预的兴趣，以及实现更准确和有效的控制，船舶控制器经历了技术的发展，从传统的比例积分微分（PID）控制器到更复杂的鲁棒自适应控制、人工智能技术各种实用性的算法、技术层出不穷。

然而，水面舰艇的控制仍然是一个非常具有挑战性的问题。海洋表面的运输环境不稳定，难以预测。在设计水面舰艇时，不确定的非线性流体动力学和外部干扰是必须考虑的。这就是传统的控制系统不会有良好的稳定性和性能的原因。在传统控制的构造中引入智能控制器，加入了一种协同作用，使其对无人地面船的轨迹跟踪更有效。