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随着社会经济的发展以及海洋资源的不断开发利用，船舶的控制技术得到了大力的发展，在船舶众多关键技术领域内，欠驱动水面船的路径跟踪控制已经成为船舶运动控制的一个研究热点。欠驱动水面船路径跟踪控制系统具有欠驱动特性、强非线性、易受模型参数变化以及外界环境干扰影响等特点，对其提高路径跟踪精度以及抗干扰能力具有一定的难度，因此，对该控制系统的难点问题开展研究，有助于提高路径跟踪作业的精度，具有重要的实际应用价值。本课题以欠驱动水面船为研究对象，将模型不确定、未知外界环境干扰、时变侧滑、时变海流、执行器输入受限、跟踪误差受限、速度测量值未知的情况考虑到路径跟踪控制中，研究了欠驱动水面船在上述条件下的路径跟踪鲁棒控制问题。
本文的主要研究内容以及具体研究工作总结如下:
1、针对模型不确定、未知外界环境干扰、时变侧滑以及时变海流条件下的欠驱动水面船路径跟踪控制问题，提出了基于改进视线(Line of Sight，LOS)导引律的自适应模糊路径跟踪控制方法。首先，考虑时变的侧滑角对欠驱动水面船路径跟踪控制的影响，提出了改进自适应LOS(Improved Adaptive LOS，IALOS)导引律，实现了对时变侧滑角的补偿，提高了路径跟踪精度;其次，通过反步法设计自适应模糊路径跟踪控制器，将跟踪微分器引入到控制器中，用于获取虚拟控制律的微分项，避免了控制律的计算复杂性，采用模糊系统和自适应技术对模型不确定项和未知外界环境干扰进行逼近，实现了欠驱动水面船在时变侧滑情况下的鲁棒路径跟踪控制;再次，进一步考虑海流对欠驱动水面船路径跟踪控制的影响，提出了改进自适应积分LOS(Improved Adaptive Integral LOS，IAILOS)导引律，能够同时克服时变海流和时变侧滑角对路径跟踪精度的影响，进而提高了欠驱动水面船的路径跟踪精度;然后，基于动力学估计器设计了自适应模糊路径跟踪控制器，采用估计器的估计误差代替跟踪误差用于更新模糊参数，通过调整估计器设计参数可以使估计误差收敛更快，避免模糊参数的更新依赖于较大初始跟踪误差的限制，改善了模糊系统的暂态性能，根据李雅普诺夫稳定性理论证明了欠驱动水面船路径跟踪误差均能收敛于零附近任意小的邻域内;最后，仿真结果验证了所提欠驱动水面船路径跟踪自适应模糊控制方法的有效性。
2、针对模型不确定、未知外界环境干扰、时变侧滑、执行器输入受限以及跟踪误差受限条件下的欠驱动水面船路径跟踪控制问题，提出了路径跟踪抗饱和鲁棒控制方法。首先，考虑跟踪误差受限问题，通过障碍李雅普诺夫函数(Barrier Lyapunov Function，BLF)设计了误差受限侧滑补偿LOS(Error Constraint Sideslip compensation-LOS，ECS-LOS)导引律，采用侧滑估计器补偿时变侧滑角，并且跟踪误差不会超出受限范围，欠驱动水面船的路径跟踪精度得以提高;其次，通过反步法设计了路径跟踪鲁棒控制器，并且采用干扰观测器对系统中的未知合成干扰进行观测，为避免执行器发生饱和现象，将饱和补偿器引入到所设计的鲁棒控制器中，实现了欠驱动水面船在时变侧滑、执行器输入受限以及跟踪误差受限条件下的路径跟踪鲁棒控制，李雅普诺夫稳定性理论证明了欠驱动水面船跟踪误差可以收敛于零附近任意小的邻域内;再次，为进一步提高路径跟踪性能并缩短路径跟踪时间，基于正切类障碍李雅普诺夫函数设计了有限时间LOS导引律，采用有限时间侧滑估计器估计导引律中的时变侧滑角，实现了侧滑角的快速精确补偿;然后，利用反步法设计了有限时间路径跟踪鲁棒控制器，系统中的未知合成干扰采用有限时间干扰观测器进行观测，为避免控制律的计算复杂性以及满足有限时间收敛的要求，设计有限时间跟踪微分器处理虚拟控制律的微分项，并且针对船舶执行器的物理限制以及满足有限时间收敛的要求，设计有限时间饱和补偿器嵌入到有限时间路径跟踪鲁棒控制器中，根据李雅普诺夫稳定性理论和有限时间理论证明了欠驱动水面船路径跟踪误差均能在有限时间内收敛于零附近任意小的邻域内;最后，仿真结果验证了所提欠驱动水面船执行器输入受限以及跟踪误差受限的路径跟踪抗饱和鲁棒控制方法的有效性。
3、针对模型不确定、未知外界环境干扰、执行器输入受限、速度测量值未知条件下的欠驱动水面船路径跟踪控制问题，提出了路径跟踪抗饱和输出反馈控制方法。首先，设计三阶扩张状态观测器同时观测出欠驱动水面船的速度以及由模型不确定项和未知外界环境干扰构成的未知合成干扰;其次，设计基于速度观测值的LOS导引律和路径跟踪抗饱和输出反馈控制器，实现了欠驱动水面船在执行器输入饱和以及速度测量值未知条件下的路径跟踪鲁棒控制;再次，为进一步提高复杂干扰环境下的路径跟踪控制性能，设计有限时间扩张状态观测器，能在有限时间内同时获得欠驱动水面船的速度观测信息以及系统的合成干扰观测信息，通过齐次理论证明了有限时间扩张状态观测器的观测误差能在有限时间内收敛于零;然后，设计基于速度观测值的有限时间LOS导引律以及有限时间路径跟踪抗饱和输出反馈控制器，通过李雅普诺夫稳定性理论和有限时间理论证明了欠驱动水面船路径跟踪误差能在有限时间内收敛于零附近任意小的邻域内;最后，仿真结果验证了所提欠驱动水面船路径跟踪抗饱和输出反馈控制方法的有效性。
本文的主要研究内容以及具体研究工作总结如下:
1、针对模型不确定、未知外界环境干扰、时变侧滑以及时变海流条件下的欠驱动水面船路径跟踪控制问题，提出了基于改进视线(Line of Sight，LOS)导引律的自适应模糊路径跟踪控制方法。首先，考虑时变的侧滑角对欠驱动水面船路径跟踪控制的影响，提出了改进自适应LOS(Improved Adaptive LOS，IALOS)导引律，实现了对时变侧滑角的补偿，提高了路径跟踪精度;其次，通过反步法设计自适应模糊路径跟踪控制器，将跟踪微分器引入到控制器中，用于获取虚拟控制律的微分项，避免了控制律的计算复杂性，采用模糊系统和自适应技术对模型不确定项和未知外界环境干扰进行逼近，实现了欠驱动水面船在时变侧滑情况下的鲁棒路径跟踪控制;再次，进一步考虑海流对欠驱动水面船路径跟踪控制的影响，提出了改进自适应积分LOS(Improved Adaptive Integral LOS，IAILOS)导引律，能够同时克服时变海流和时变侧滑角对路径跟踪精度的影响，进而提高了欠驱动水面船的路径跟踪精度;然后，基于动力学估计器设计了自适应模糊路径跟踪控制器，采用估计器的估计误差代替跟踪误差用于更新模糊参数，通过调整估计器设计参数可以使估计误差收敛更快，避免模糊参数的更新依赖于较大初始跟踪误差的限制，改善了模糊系统的暂态性能，根据李雅普诺夫稳定性理论证明了欠驱动水面船路径跟踪误差均能收敛于零附近任意小的邻域内;最后，仿真结果验证了所提欠驱动水面船路径跟踪自适应模糊控制方法的有效性。
2、针对模型不确定、未知外界环境干扰、时变侧滑、执行器输入受限以及跟踪误差受限条件下的欠驱动水面船路径跟踪控制问题，提出了路径跟踪抗饱和鲁棒控制方法。首先，考虑跟踪误差受限问题，通过障碍李雅普诺夫函数(Barrier Lyapunov Function，BLF)设计了误差受限侧滑补偿LOS(Error Constraint Sideslip compensation-LOS，ECS-LOS)导引律，采用侧滑估计器补偿时变侧滑角，并且跟踪误差不会超出受限范围，欠驱动水面船的路径跟踪精度得以提高;其次，通过反步法设计了路径跟踪鲁棒控制器，并且采用干扰观测器对系统中的未知合成干扰进行观测，为避免执行器发生饱和现象，将饱和补偿器引入到所设计的鲁棒控制器中，实现了欠驱动水面船在时变侧滑、执行器输入受限以及跟踪误差受限条件下的路径跟踪鲁棒控制，李雅普诺夫稳定性理论证明了欠驱动水面船跟踪误差可以收敛于零附近任意小的邻域内;再次，为进一步提高路径跟踪性能并缩短路径跟踪时间，基于正切类障碍李雅普诺夫函数设计了有限时间LOS导引律，采用有限时间侧滑估计器估计导引律中的时变侧滑角，实现了侧滑角的快速精确补偿;然后，利用反步法设计了有限时间路径跟踪鲁棒控制器，系统中的未知合成干扰采用有限时间干扰观测器进行观测，为避免控制律的计算复杂性以及满足有限时间收敛的要求，设计有限时间跟踪微分器处理虚拟控制律的微分项，并且针对船舶执行器的物理限制以及满足有限时间收敛的要求，设计有限时间饱和补偿器嵌入到有限时间路径跟踪鲁棒控制器中，根据李雅普诺夫稳定性理论和有限时间理论证明了欠驱动水面船路径跟踪误差均能在有限时间内收敛于零附近任意小的邻域内;最后，仿真结果验证了所提欠驱动水面船执行器输入受限以及跟踪误差受限的路径跟踪抗饱和鲁棒控制方法的有效性。
3、针对模型不确定、未知外界环境干扰、执行器输入受限、速度测量值未知条件下的欠驱动水面船路径跟踪控制问题，提出了路径跟踪抗饱和输出反馈控制方法。首先，设计三阶扩张状态观测器同时观测出欠驱动水面船的速度以及由模型不确定项和未知外界环境干扰构成的未知合成干扰;其次，设计基于速度观测值的LOS导引律和路径跟踪抗饱和输出反馈控制器，实现了欠驱动水面船在执行器输入饱和以及速度测量值未知条件下的路径跟踪鲁棒控制;再次，为进一步提高复杂干扰环境下的路径跟踪控制性能，设计有限时间扩张状态观测器，能在有限时间内同时获得欠驱动水面船的速度观测信息以及系统的合成干扰观测信息，通过齐次理论证明了有限时间扩张状态观测器的观测误差能在有限时间内收敛于零;然后，设计基于速度观测值的有限时间LOS导引律以及有限时间路径跟踪抗饱和输出反馈控制器，通过李雅普诺夫稳定性理论和有限时间理论证明了欠驱动水面船路径跟踪误差能在有限时间内收敛于零附近任意小的邻域内;最后，仿真结果验证了所提欠驱动水面船路径跟踪抗饱和输出反馈控制方法的有效性。