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2023 SCI 基于全局快速终端滑模的无人船轨迹跟踪控制研究
本文针对欠驱动无人船的轨迹跟踪问题展开研究，提出了一种结合运动学与动力学的双层控制器结构。该方法通过构建闭环控制系统，实现对无人船在复杂水域环境中精确轨迹跟踪的能力。
整个控制器体系由两个核心部分构成：运动学控制器和动态控制器。首先，在船体坐标系下，采用反步法设计运动学控制器，用于生成速度与航向偏差对应的虚拟控制输入。反步法的基本思想是从系统的期望输出出发，逐级回推当前所需的状态调节量，从而形成稳定的控制策略。这一过程可视为为无人船规划出一条理论上可行的运动路径。
% 假设一些初始参数
ship_state = [x; y; theta]; % 当前船舶状态，x,y位置，theta航向角
desired_state = [xd; yd; thetad]; % 期望船舶状态
% 基于反步法设计运动学控制器
% 计算速度和航向偏差的虚拟控制输入
v_d = calculate_virtual_velocity(ship_state, desired_state);
theta_d = calculate_virtual_heading(ship_state, desired_state);在实际运行中，仅依靠运动学层面的规划难以应对外部干扰或模型不确定性，因此引入基于指数滑模面的动态控制器。该控制器通过对速度误差与航向偏差进行实时调节，进一步稳定位置误差，提升整体系统的响应速度与鲁棒性能。指数滑模面的设计使得系统状态能够以更快的收敛速率趋近于平衡点，增强了控制精度。
% 定义指数滑模面相关参数
lambda = 0.5; % 滑模面参数
alpha = 1.5; % 滑模面参数
% 计算速度误差和航向偏差
v_error = v - v_d;
theta_error = theta - theta_d;
% 基于指数滑模面设计动态控制器
s = v_error + lambda * sign(theta_error) * abs(theta_error)^alpha;
u = calculate_control_input(s); % 根据滑模面计算实际控制输入su在控制器设计过程中，借助李雅普诺夫稳定性理论对整个闭环系统进行了严格分析，确保所有状态变量在有限时间内保持有界并渐近收敛。这一理论验证为控制器的实际应用提供了坚实的数学基础，相当于为系统运行设置了一道安全保障机制。
为了验证所提方法的有效性，研究团队在MATLAB环境下搭建了仿真实验平台，并将所提出的指数滑模控制器与传统的整体积分滑模控制器进行了对比测试。仿真代码中通过调用不同控制器模块，记录其在相同初始条件与参考轨迹下的响应表现。
% 分别用指数滑模控制器和整体积分滑模控制器进行仿真
sim('exponential_sm_controller_sim'); % 指数滑模控制器仿真模型
sim('integral_sm_controller_sim'); % 整体积分滑模控制器仿真模型
% 提取仿真结果数据
exp_data = get_simulation_data('exponential_sm_controller_sim');
int_data = get_simulation_data('integral_sm_controller_sim');
% 比较分析结果
compare_results(exp_data, int_data);实验结果表明，新提出的控制器在轨迹跟踪精度、抗干扰能力以及动态响应速度方面均优于对比方案，展现出更强的鲁棒性与实用性。特别是在面对环境扰动或参数摄动时，系统仍能维持良好的跟踪性能。
从技术角度看，该研究不仅解决了欠驱动系统因自由度受限带来的控制难题，还通过非线性控制手段提升了整体性能。整个复现过程也体现了MATLAB在控制系统建模、算法实现与仿真分析中的强大功能。
综上所述，该文献为无人船自主导航领域的控制算法设计提供了有价值的参考，尤其在高精度轨迹跟踪需求场景下具有广泛的应用前景。
京公网安备 11010802022788号
