船舶进港路径跟踪控制研究
摘要
随着科学技术水平的提高与船舶领域的进步，作为陆地与海洋的连接支点，港口的
发展受到了各界的重视。近年来，进出港口的船舶数量逐年增加，使得港内的交通安全
隐患也逐渐增大。因此，本课题以欠驱动船舶为研究对象，对船舶的进港路径跟踪控制
展开研究，并根据实际情况划分为船舶进港前的路径规划与进港后的路径跟踪。本文的
研究内容如下：
1.综合分析欠驱动船舶的运动学特性与动力学特性，建立了欠驱动船舶的三自由
度数学模型，并且考虑到船舶航行时会受到风、浪和流等环境因素影响，故对环境干扰
进行数学建模。最后，通过仿真实验验证了所建立船舶数学模型的有效性。
2.针对欠驱动船舶进港前的路径规划问题，首先创建了两张障碍物分布不同的栅
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格环境地图，并针对传统算法的评价函数受启发式函数影响较大的缺陷，利用能量
守恒定律，将评价函数进行改进，使其更好地对路径进行寻优，然后介绍了传统的人工
势场法，并分别引入新的合力计算方法与目标位置函数对其固有的缺陷进行改进。考虑
到船舶的运动特性，则基于两种改进算法设计出混合路径规划算法。最后，通过对比仿
真实验证明了所设计的混合路径规划算法的有效性，为船舶的进港路径跟踪奠定了基础。
3.针对欠驱动船舶在进港后路径跟踪时会受到未知时变干扰的问题，首先设计出
(Adaptiveline-of-sightALOS)
基于漂角补偿的自适应视线，导引算法，以减少船舶在干扰
下产生的时变侧滑角对船舶进港后路径跟踪的影响，并且设计扰动观测器来对港内存在
的未知时变干扰进行估计，然后结合反步法与滑模变结构控制方法设计出最终的路径跟
踪控制器，并应用Lyapunov稳定性定理证明欠驱动船舶的进港路径跟踪系统是一致最
终有界的。最后，通过对比仿真实验证明了所设计的进港路径跟踪导引律与控制器的有
效性，即欠驱动船舶能够更精准的跟踪进港前规划的期望路径。
4.针对欠驱动船舶在进港后路径跟踪时船舶模型存在的不确定性和执行器输入饱
和等问题，设计出基于神经网络自适应的抗饱和路径跟踪控制器。首先引入RBF神经
网络来估计船舶在复杂的港内环境航行时船舶模型存在的不确定性参数，然后设计输入
饱和辅助系统来避免船舶的执行器输入饱和给其路径跟踪带来的不利影响，使得控制输
入约束在执行器饱和限制值的范围内，并应用Lyapunov稳定性定理证明欠驱动船舶的
进港路径跟踪系统是一致最终有界的。最后，通过仿真实验证明了所提控制方法的普适
性与有效性。
关键词：欠驱动船舶；混合路径规划算法；自适应视线导引；进港路径跟踪控制；输入
饱和辅助系统
船舶进港路径跟踪控制研究
Abstract
Withtheimprovementofscienceandtechnologylevelandtheprogressofthevesselfield,
asafulcrumconnectinglandandsea,thedevelopmentoftheporthasbeenvaluedbyallwalks
oflife.Recently,thequantityofshipsenteringandexitingportshaveincreasedyearafteryear,
makingthetrafficsafetyhazardsintheportgraduallyincreasing.Therefore,thisprojecttakes
underdrivenshipsastheresearchobject,andstudiesonshipentrypathtrackingcontrol,and
dividesitintopathplanningbeforeenteringtheportandpathtracingafterente