基于MATLAB的无人船模型预测控制航迹跟踪系统

资 源 简 介

本项目使用MATLAB实现无人船三自由度动力学建模与模型预测控制，通过实时轨迹预测与最优舵角推力计算，达到高精度航迹跟踪效果。系统支持自定义期望航迹，适用于船舶自主导航研究。

详 情 说 明

无人船模型预测控制航迹跟踪系统

项目介绍

本项目基于模型预测控制（MPC）算法，实现了无人船的精准航迹跟踪控制系统。系统通过建立无人船三自由度动力学模型，结合滚动优化与反馈校正机制，实时计算最优舵角和推力控制指令，使无人船能够有效跟踪预设航迹，并具备抵抗风、流等环境扰动的能力。

功能特性

• 动力学建模：建立了包含纵荡、横荡、艏摇的三自由度无人船非线性动力学模型。
• 模型预测控制：采用MPC算法，实时预测未来运动轨迹，并根据期望航迹与实际位置的偏差进行滚动优化控制。
• 约束处理：支持舵角、推力等控制量的物理约束，确保控制指令的可行性。
• 环境扰动补偿：系统可考虑风速、流速等环境参数，提升抗干扰能力。
• 可视化分析：提供实时可视化界面，展示实际航迹与期望航迹的对比、控制量变化曲线及跟踪误差分析。

使用方法

1. 准备输入数据：配置期望航迹文件（支持经纬度坐标或相对路径点）、无人船初始状态（位置、航向、速度）、环境参数及控制约束条件。
2. 运行主程序：执行主控制程序，系统将自动开始航迹跟踪控制仿真。
3. 监控与调试：通过可视化界面实时观察跟踪效果和控制指令输出，可根据仿真结果调整MPC参数以优化性能。
4. 结果分析：仿真结束后，系统将输出航迹跟踪误差统计数据和各类可视化图表。

系统要求

• 操作系统：Windows/Linux/macOS
• 软件环境：MATLAB R2018b 或更高版本
• 必要工具箱：优化工具箱（Optimization Toolbox）、控制系统工具箱（Control System Toolbox）
• 硬件建议：至少4GB内存，支持浮点运算的处理器

文件说明

主程序文件集成了系统的核心功能，包括无人船动力学模型初始化、模型预测控制器配置、仿真环境设置以及主控制循环的实现。它负责载入期望航迹与初始状态，在每个采样周期内基于当前状态进行优化求解，生成舵角与推力控制指令，并推动船舶模型状态更新，同时完成数据记录与实时可视化。此外，该文件还封装了性能评估逻辑，用于计算和输出航迹跟踪的各项误差指标。