摘要
随着人们对海洋资源的日益重视，无人帆船在海洋监测领域受到了广泛关注。小型翼帆无人帆船是海洋监测领域常用的一类无人帆船，采用运动模型和控制算法来实现路径跟踪是无人帆船能够顺利完成海洋监测任务的前提。本文以“海鸥”号无人帆船作为研究对象，以准确度高且普适的建模方法、稳定性好且适用性广的路径跟踪方法为目标开展研究。 首先，介绍了无人帆船的组成结构、航行原理和软硬件平台，讨论软帆和翼帆无人帆船的特点，分析小型翼帆无人帆船优势。为后续的运动建模、模型验证和路径跟踪制导与控制算法提供基本数据和前期准备。 其次，建立了包含风、浪、流扰动的四自由度无人帆船运动模型，应用经验公式和CFD方法进行参数计算，通过设计风、浪、流下的运动仿真和试验复现仿真来验证模型。研究表明，跟踪海上试验的536m长轨迹，航速误差为13.41％,左右横摇角误差均在10％以内，运动模型能够反映实体的速度和姿态，可以基本复现试验现象，且模型参数计算和验证方法适用于同构不同尺度的无人帆船建模。 最后，设计了一种改进ILOS-FPID路径跟踪方法，在传统LOS制导法基础上增加带有滑动时间窗口的积分环节和前视距离的判定规则;在传统PID航向控制基础上增加模糊控制、比例放大和积分分离思想;此外，借助速度预报程序，制定帆控策略来完成航速控制。分别进行制导法、航向控制和路径跟踪仿真实验以验证算法有效性。研究表明:改进ILOS-FPID控制器较传统LOS-PID控制器响应速度快、稳定性强，且适用密集程度不同的路径点跟踪场景。 本文对无人帆船运动建模和路径跟踪控制算法进行了研究，具有一定的理论意义和实际应用价值，可以为无人帆船的海洋监测任务提供一定的技术支持。
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