基于混合动力推进的无人船航迹控制方法研究

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近年来,随着人口不断增长,人们对能源和环境问题越发关注,因此作为勘探和开发海洋资源的重要工具,无人船得到了快速发展。燃料电池混合动力无人船是无人驾驶技术和新能源技术相结合的产物,具有零排放、效率高、启动快等优点,极具发展和应用前景。动态自主避碰、航迹控制和能量管理策略是提升混合动力无人船自主航行安全性、稳定性和智能化程度的关键技术,但目前的研究还存在一些难点,包括:无人船操纵特性约束、控制器实时性要求和燃料电池耐久性问题等。为解决上述问题,本文以燃料电池混合动力无人船为研究对象,对无人船动态自主避碰、航迹控制和能量管理策略展开研究,论文的主要内容如下:(1)无人船操纵模型建立。本文以一艘实际的高速欠驱动无人船为研究对象,建立了空间六自由度操纵模型。同时考虑到无人船的欠驱动特性及高速航行时系统阻尼系数与速度间的耦合关系,建立了含非线性阻尼项的欠驱动无人船三自由度操纵模型,为动态自主避碰和航迹控制的仿真研究奠定基础。(2)动态自主避碰方法研究。针对无人船在国际海事规则和自身操纵性约束下的避碰问题,提出了一种基于集合制导策略和动态窗口约束的动态自主避碰方法,该方法融入了国际海事规则,为无人船快速规划出满足操纵特性和国际海事规则的避碰路径。仿真结果表明该方法能够在满足国际海上避碰规则的前提下,有效规避障碍物。(3)航迹控制方法研究。针对模型预测控制在线计算量大,难以满足无人船实际航行中的实时性要求的问题,提出了一种基于显式模型预测控制的航迹控制方法。该方法利用可视距导航算法得出期望的艏向角,将航迹控制简化为艏向控制。同时,将显式模型预测控制应用于艏向控制问题中,以减少控制器的在线计算时间。通过对比试验验证了该方法可以显著提高航迹控制的实时性。(4)混合动力系统能量管理策略研究。针对柴油机推进的原型船,设计了以燃料电池和蓄电池为主辅动力源的混和动力系统,确定了系统的拓扑结构,并对各部件参数进行匹配计算。针对燃料电池的耐久性问题,设计了基于改进模糊逻辑控制的能量管理策略,增加了模糊逻辑控制的控制需求。在设定的工况下进行仿真试验,结果表明改进后的模糊逻辑控制策略能有效提升燃料电池的耐久性。本文深入研究了混合动力无人船动态自主避碰、航迹控制和能量管理策略,具有重要的学术和工程应用价值,推动了混合动力无人船的发展和应用。
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