舵桨协调下全垫升气垫船操纵运动控制方法研究
摘要
全垫升气垫船是一种依靠气垫将船体托起，悬浮于水面航行的高性能船舶，具有快
速性和两栖性。但特殊的船体结构在带来优秀性能的同时，也使全垫升气垫船的向心力
小且易受外界干扰，在操控时不仅要考虑航速和航向，还要避免回转率高于安全限界。
此外，全垫升气垫船还配有多个舵桨操纵面，因此在控制气垫船运动时还要考虑舵桨协
调控制分配问题，在满足执行器的物理约束下实现优化控制。本文将全垫升气垫船的纵
向速度和航向作为操纵运动控制目标，围绕控制过程中的外界干扰不确定性问题、输入
受限问题、回转率约束问题以及舵桨协调控制分配问题进行如下几方面的研究：
(1)针对外界干扰不确定性对气垫船操纵运动控制精度的影响，基于固定时间干扰
观测器设计快速终端滑模纵向速度和航向控制律。首先，对滑模控制方法的趋近律进行
分析，在考虑到收敛速度和滑模抖振问题的基础上，设计一种改进的双幂次滑模趋近律；
然后，基于该趋近律和两种快速终端滑模面分别设计气垫船纵向速度和航向控制器，并
采用固定时间观测器对外界干扰不确定性进行估计和补偿；最后，仿真验证设计控制方
法的有效性。
(2)针对全垫升气垫的执行器饱和约束及回转率约束问题，在对外界干扰不确定性
补偿的基础上，设计满足约束的有限时间纵向速度和航向控制器。首先，引入Gaussian
误差函数对纵向力进行非对称光滑限幅，在此基础上采用快速终端滑模和反演控制方法
设计纵向速度控制器，并引入Nussbaum函数设计辅助系统处理输入饱和约束；其次，
引入辅助控制变量对航向控制系统进行非线性映射，消除回转率约束和输入饱和约束，
再基于动态面控制技术和映射后的系统设计自适应航向控制器；最后，证明所设计控制
器的有限时间收敛性，并对控制器的性能进行仿真验证。
(3)针对全垫升气垫船舵桨协调控制分配问题，提出了一种基于差分进化的约束蝗
虫优化分配方法。该算法首先引入比较准则处理约束，充分利用不可行解的有效信息；
?
其次设置偏好指标，对不同时刻及不同区域的蝗虫个体采用不同的差分变异策略，增强
算法全局搜索能力；同时引入柯西算子，对种群中的精英个体进行扰动避免陷入局部最
优；最后，仿真验证控制分配优化算法的有效性。
关键词：全垫升气垫船；操纵运动控制；输入饱和约束；状态约束；舵桨协调分配
舵桨协调下全垫升气垫船操纵运动控制方法研究
ABSTRACT
TheAirCushionVehicle(ACV)isahigh-performancevesselthatreliesonaircushionsto
liftthehullandsuspenditfornavigationonthewatersurface.Duetoitsspecialhullstructure,
ACVisfastandamphibious,butatthesametime,thespecialhullstructurealsomakesits
centripetalforcesmallandvulnerabletoexternalinterference.Whenhandling,notonlythe
speedandcourseshouldbeconsidered,butalsotheslewingrateshouldnotbehigherthanthe
safetylimit.Inaddition,ACVisalsoequippedwithmultiplerudderandpropellercontrol
surfaces.WhencontrollingthemotionoftheACV,itisnecessarytoconsiderthecoordination
andallocationofactuators,inordertoachieveoptimalcontr