本文致力于水面无人艇航向模糊自适应PID控制器的研究和开发，首先通过对水面无人艇模型进行建模，然后针对该模型通过MATLA软件进行仿真分析。通过把传统PID控制和改进得来的模糊自适应PID控制器放在同一仿真环境进行控制结果的比较分析，得出的模糊自适应PID控制系统优越性。

1.2相关领域的研究进展及成果

1.2.1模糊控制领域的研究状况

1.2.2船舶航向控制领域的研究状况

1.3本文主要研究内容

本文针对无人艇航向运动控制的设计与实现进行研究,主要内容分为以下几部分:

（1）本文首先通过介绍了模糊控制理论的发展历史和研究历程和无人艇的研究现状，并以此为根本建立了本文的主要研究方向。

（2）通过整体建模思想，建立水面无人艇在高速运动下的6自由度数学模型，同时建立无人艇推进力及风浪干扰的力学模型。在此基础上，进一步建立无人艇操纵运动数学模型和航向控制模型。

（3）基于PID控制器的设计原理，根据无人艇数学非线性模型计算出PID控制

器的比例系数Kp、积分系数Ki和微分系数Kd，构建出PID水面无人艇航向控制系统。在此基础上为提高控制器鲁棒性设计鲁棒PID控制器。

（4）根据模糊控制的基础理论，利用Matlab的FIS模糊编辑器构建Mamdani型模糊控器，将模糊控制与PID控制相结合构建出本文最终所设计的水面无人艇航向模糊自适应控制系统，实现参数的自整定航向PID控制器的设计。

（5）通过在同一仿真环境进行模糊自适应PID控制器、常规PID控制器和鲁棒PID控制器的对比仿真，从而获得三种控制器控制效果的比较结果。最后，通过仿真结果，突出模糊自适应PID控制器相比常规PID控制器和鲁棒PID控制器能够在无人艇稳态和动态性能上获得更好的航向控制效果、更高的控制精度、更短调节时间、更好的鲁棒性和更好的抗干扰性能。

第二章无人艇的运动数学模型

水面无人艇的数学建模是对水面无人艇航向控制系统建立和运动仿真分析的基础。可靠的数学模型对于模拟和预测真实系统的运动行为是必不可少的。因为如果有可靠的数学模型可用并且利用它们准确地预测真实系统的行为，就可以在仿真中规划和测试控制动作，避免代价昂贵的实际测试。同时在另一方面，实际应用时也需要用数学模型计算成本来达到降低成本的目的。

无人艇的运动模型决定了无人艇航行过程中输入变量和输出变量的数学关系。当处理一般的水面无人艇时，必须考虑不确定的非线性流体动力学和外部扰动。其复杂性是由于非线性动力学和多重状态变量之间的强耦合。实际上水面无人艇通常体积较小，速度很快，因此更易受到外界影响。这些方面使得获得水面无人艇数学模型相当复杂。这就是为什么传统的控制系统对于这些复杂的非线性多输入多输出系统可能不具有良好的性能。而传统的控制方法解决方案通常基于线性分析模型，这不是往往不是水面无人艇的真实表现。简单的数学模型不能充分表现无人艇的运动的特点。为提高水面无人艇的控制效果，我们学要建立更为精确的非线性模型。本章利用相关船舶运动学规律及原理，建立水面无人艇运动学数学模型。

为方便水面无人艇的运动数学模型的建立，建立如下假设：

（1）把无人艇视作一个刚体系统，且质量分布均匀，为常值；

（2）水面无人艇体关于中纵断面对称；

（3）不考虑地球的曲率，把大地坐标系作为惯性坐标系，把水面当成一个平面；