MATLAB实现的无人船模型预测控制系统设计与仿真

资 源 简 介

本项目基于MATLAB开发，利用模型预测控制（MPC）理论设计无人船航迹跟踪控制器。包含船舶动力学建模、实时状态预测与优化控制，支持预设航迹的高精度跟踪仿真，适用于自主导航系统研究。

详 情 说 明

无人船模型预测控制系统设计与仿真

项目介绍

本项目设计并实现了一套基于非线性模型预测控制（NMPC）理论的无人船航迹跟踪控制系统。通过对无人船进行六自由度动力学建模，系统能够利用实时状态信息预测未来时间窗口内的船舶行为，并通过求解带约束的优化问题，计算出最优控制指令，使无人船能够精确跟踪预设航迹。该项目集成了船舶建模、NMPC控制器设计、轨迹规划及仿真验证等功能，强调系统的实时性与抗外界干扰的鲁棒性。

功能特性

• 高精度动力学建模：采用六自由度非线性模型，准确描述船舶在复杂海洋环境中的运动特性。
• 高级控制策略：核心采用非线性模型预测控制（NMPC），能够显式处理系统约束（如舵角、推力限制）并主动补偿风、浪、流等外部扰动。
• 多源数据输入：支持预设航迹、环境干扰参数、船舶初始状态以及传感器实时数据等多种输入。
• 综合仿真与输出：提供控制指令序列、状态预测、跟踪误差分析以及直观的轨迹跟踪动画和性能图表。
• 鲁棒性强：控制算法设计考虑了模型不确定性和环境干扰，确保系统在复杂海况下的稳定性和跟踪性能。

使用方法

1. 配置参数：根据仿真需求，在主运行脚本中设置无人船模型参数、MPC控制器参数（如预测时域、控制时域、权重矩阵）、环境条件以及期望跟踪的航迹。
2. 运行仿真：执行主运行脚本，启动仿真流程。系统将自动进行动力学模型计算、MPC在线优化求解和状态更新。
3. 分析结果：仿真结束后，系统将生成控制指令、状态曲线和航迹跟踪动画。用户可通过分析这些输出结果评估控制器性能。

系统要求

• 操作系统：Windows, Linux, 或 macOS。
• 软件环境：MATLAB (推荐 R2018b 或更高版本)。
• 必要工具包：优化工具箱（Optimization Toolbox），特别是用于求解NMPC优化问题；控制系统工具箱（Control System Toolbox）。

文件说明

主运行脚本整合了无人船航迹跟踪仿真的核心流程。它主要负责完成船舶非线性动力学模型的初始化，定义模型预测控制器的目标函数与约束条件，执行仿真循环。在每一个仿真步长内，该脚本调用优化求解器计算最优控制量，并更新船舶状态，同时记录关键数据用于最终的性能分析与轨迹可视化。