2.2.2水面无人艇操纵运动方程的建立 7

2.2.3航向控制系统线性数学模型的建立 8

2.2.4航向控制系统非线性数学模型的建立 9

2.3风浪干扰数学模型 9

2.4本章小结 10

第三章水面无人艇航向PID控制系统 11

3.1水面无人艇航向控制理论基础 11

3.2经典PID控制技术简介 11

3.2.1PID比例控制 11

3.2.2PID积分控制 12

3.2.3PID微分控制 12

3.3水面无人艇航向PID控制系统 12

3.4非线性鲁棒PID参数设计 14

3.5本章小结 15

第四章水面无人艇模糊自适应PID航向控制器 17

4.1模糊控制原理介绍 17

4.2模糊自适应PID控制原理 18

4.3模糊自适应PID控制系统设计 18

4.3.1模糊自适应PID控制器的结构 19

4.3.2模糊自适应PID控制器的参数整规则 19

4.2.3模糊控制器的结构 20

4.2.4编辑FIS维数和输入、输出量 20

4.2.5编辑模糊控制规则 23

4.3模糊自适应PID控制器设计 25

4.4仿真分析 25

4.4.1控制器动态性能仿真对比 26

4.4.2两种控制器抗干扰性能能仿真对比 27

4.5本章小结 29

结论与展望 30

总结 30

存在的问题和展望 30

致谢 32

参考文献 33

附录 35

第一章绪论

1.1课题研究背景与意义

水面无人艇(UnmannedSurfaceVessel即USV)是一种能够在湖泊、江河、海洋等环境下拥有自主航行能力，可以根据具体的任务需求搭载多种功能模块来完成特定使命的小型水面无人运动平台[1]。事实上，水面无人艇的开发和应用过程可以追溯到第二次世界大战时期。但是直到海湾战争，水面无人艇才开始具有真正现代意义上的研究。美军对水面无人艇技术的成功应用，使各国海军都认识到了在现代战争中水面无人艇具有的巨大潜力[2]。各国陆续推出了多种型号的军用水面无人艇，其中以美国和以色列最为突出。除在军事方面，在民用领域有如下几种情况可以使用到水面无人艇：搜索和恢复、溢出收集、监视，放置网、测深地图创建、交通、勘探任务、环境监测、海洋调查、沿海和内陆监测等。

无人水面艇具有如下优点：体积小、反应速度快、灵敏度高、隐蔽出色、无伤亡危险等。因为水面无人艇体积小、航速快、工作环境复杂，所以也表现出稳定性差和容易受到风浪干扰等缺点。因此，对优秀航向控制器的需求以及对控制安全水平的需求一直是水面无人艇控制系统不断发展的主要驱动力。传统的PID航向控制依据是收集舵机系统的工作状况和航行状态的信息。专业操舵人通过特定的数学公式提前设定控制器的比例、积分和微分参数，并做适当的调节[3]。但众所周知，无人艇航行环境具有复杂性，艇自身的水动力变化同样复杂，常规PID控制器往往不能满足水面无人艇航向控制的需求。随着控制技术的不断发展，如模糊控制、神经网络、遗传算法等同时考虑到PID技术的成熟应用，将这些控制理论与PID技术相结合，作为PID控制技术发展的新方向。