1. 研究目的与意义（文献综述）

水面无人艇是一种能够在海洋环境下自主航行,并完成各种任务的小型水面运动平台。水面无人艇的发展可追溯到第二次世界大战，其初衷是在沿海区域进行排雷或清除障碍物。在第二次海湾战争中，无人艇成功地完成任务，以美国为代表的西方国家已将其列为重要的发展方向，其它国家海军也高度关注该技术领域的进展和动态。无人艇在民用方面多用于气象探测、水文探测等功能相对简单的领域。水面无人艇是一种具有自主规划、自主航行能力,并可自主完成环境感知、目标探测等任务的小型水面平台,可承担情报收集、监视侦察、扫雷、反潜、精确打击、搜捕、水文地理勘察,反恐,中继通信等功能。无人艇根据使命的不同,可采用多种不同的模块,搭载不同的传感器或执行设备,执行任务也显示出多样性。

我国无人艇技术的研究尚处于起步阶段，很多关键领域都是空白，与美国等西方发达国家相比存在很大的差距。根据已有的报道，主要有海军某通信修理厂、中国航空科工集团公司沈阳新光公司、哈尔滨工程大学做过这方面的研究。沈阳新光公司推出的xg-2概念无人船能依靠卫星通信，承担海上反潜任务；无人驾驶海上探测船“天象一号”曾为北京奥运会的青岛奥帆赛提供气象保障服务。哈尔滨工程大学水下智能机器人实验室在智能水面无人艇的研发上做了一些前期工作，已经完成了“××号”无人艇的设计和实艇建造等工作，并且开展了相关技术研究和海上试验。珠海云洲智能科技有限公司研发的“全自动无人采样船”已形成系列产品并在全国推广应用。

水面无人艇系统存在大惯性、长时滞、非线性、难以建立精确的数学模型等问题，易受海浪等外界干扰，采用传统的pid控制难以达到良好的航迹跟踪控制效果。水面无人艇在海上航行时，会遇到流、浪等外界不确定因素的干扰，并且其控制呈现大惯性、长时滞、非线性等特点，易受模型参数摄动，运动情况复杂，难以建立精确的数学模型。目前，常用的无人艇航迹跟踪控制策略有模糊控制、自抗扰控制、自适应控制、滑模控制、pid控制等，但都有其局限性，如需要精确的数学模型，对控制参数选择敏感、鲁棒性不强。

2. 研究的基本内容与方案

本次研究的基本内容是：水面无人艇系统存在大惯性、长时滞、非线性、难以建立精确的数学模型等问题，易受海浪等外界干扰，采用传统的pid控制难以达到良好的航迹跟踪控制效果。因此基于预测控制理论，采用dmc动态矩阵控制和pid相结合，设计dmc-pid串级控制器，分别控制无人艇的转艏运动和操舵运动，来实现无人艇的航迹跟踪控制。

目标是：基于预测控制理论，采用dmc动态矩阵控制和pid相结合，设计dmc-pid串级控制器，分别控制无人艇的转艏运动和操舵运动，来实现无人艇的航迹跟踪控制。

技术方案及措施：基于预测控制理论，采用dmc动态矩阵控制和pid相结合，设计dmc-pid串级控制器，分别控制无人艇的转艏运动和操舵运动，来实现无人艇的航迹跟踪控制。无人艇航行时，要求舵角δ克服外界干扰，使其轨迹维持在设定的航迹上。此时，既要消除航向误差Δψ，还要消除航迹误差η。无人艇的航迹控制可分为两种情况:综合控制和分离控制。在综合控制方法中，航迹控制器控制舵角，同时实现消除航迹偏差和航向偏差，其控制过程属于单入双出。综合控制法的控制精度高，但系统调试难度大，运行灵活性不足。分离控制法是通过实时改变无人艇的航向来间接消除航迹偏差，该方法把航迹控制系统分为3个相互嵌套的环，分别为航迹控制环、航向控制环和舵角控制环。该方法通过控制舵角δ使得艇航行于设定航向ψr上;通过控制航向ψ来消除艇的航迹偏差η，最终达到使无人艇按设定航迹航行的控制效果。无人艇在水面航行时，在打舵到艇转至预设方向需要反应时间，所以存在时滞现象。因此本设计采用dmc-pid串级控制，系统的外环采用dmc动态转矩控制，用来克服系统存在的时滞，并获得良好的跟踪性和鲁棒性，系统的内环采用pid控制，用来抑制系统受到的外界干扰。无人艇采用分离控制方案，利用matlab仿真对艇的航向控制，通过相关的计算，选取dmc和pid参数的选取，实现对无人艇航迹跟踪即对航向的控制，利用matlab进行仿真，分析dmc-pid控制器对航向控制与航迹跟踪的控制效果及性能指标。

3. 研究计划与安排

第1周：查阅设计题目的相关资料

第2周：撰写开题报告

第3周：翻译英文资料。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]席裕庚.预测控制（第二版）[m]，北京：国防大学出版社

[2]彭艳等.无人艇航迹跟踪gpc_pid串级控制，控制工程[j],2014,21(3)245-248

[3]张显库,贾欣乐.船舶运动控制［m］,北京:国防工业出版社2006