Kleine unbemannte Boote zeichnen sich durch kleine Plattformgröße, ausgeprägte Trägheits- und hydrodynamische Eigenschaften sowie eingeschränkte Aktuatoren aus, was beim Verfolgen von kurvigen Bahnen zu Problemen wie Seitenschlupf, Überschwingen und häufigen Schwankungen der Antriebssignale führt. Traditionelle Sichtlinienführungs- (LOS) und Rückkopplungssteuerungsmethoden sind einfach aufgebaut und leicht implementierbar, berücksichtigen jedoch normalerweise nicht explizit Systembeschränkungen und zukünftige Bewegungsrichtungen im Steuerungslösungsprozess, was die Steuerungsgenauigkeit und den Betriebskomfort bei komplexen Kurvenfahrten einschränkt. Zur Lösung dieser Probleme wird für ein kleines zweimotoriges Heckantriebsboot eine Pfadverfolgungsmethode auf Basis einer beschränkten modellprädiktiven Regelung vorgeschlagen und die Plattform aufgebaut, die Dynamik modelliert, Parameter identifiziert, den Regler entworfen und Feldversuche durchgeführt. Die experimentelle Plattform verwendet Glasfaser und ungesättigten Harzverbundwerkstoff, ein zweistufiges Autonomes Fahrsystem bestehend aus einem oberen Aufgabencomputer und einem unteren eingebetteten Controller wird entworfen; ein dreifreiheitsgradiges ebenes Dynamikmodell des Bootes unter Berücksichtigung der Differenzantriebseigenschaften zweier Antriebe wird erstellt, und die Systemparameter werden durch statische Schubtests und Fernsteuerungsfahrdaten identifiziert; innerhalb des Vorhersagezeitraums werden Referenzkurse und Geschwindigkeit generiert und Zustands-, Schub- und Schuberhöhungsbeschränkungen in die Optimierungsaufgabe der modellprädiktiven Regelung integriert, um eine online rollierende Optimierung der Schubkraft der linken und rechten Antriebe zu realisieren. Numerische Simulationen und Feldversuche zeigen, dass die vorgeschlagene Methode die Kurvenfahrt-Leistungsfähigkeit des kleinen unbemannten Bootes effektiv verbessert. Im Experiment zur Verfolgung einer doppelten Achterbahn betrug der quadratische Positionsfehler bei Verwendung der modellprädiktiven Regelungsmethode 0,399 m, während die traditionelle LOS-PID-Methode 0,851 m erreichte, was einer Reduktion des Positionsfehlers um ca. 53,1 % und einer Steigerung der Verfolgungsgenauigkeit um etwa das 2,1-Fache entspricht; gleichzeitig reduziert die Methode starke Veränderungen des Antriebssignals und erhöht die Fahrtstabilität. Die Forschungsergebnisse bestätigen die Wirksamkeit und das ingenieurtechnische Anwendungspotential der beschränkten modellprädiktiven Regelung bei der Pfadverfolgung kleiner zweimotoriger Heckantriebsboote.

kleines unbemanntes Boot; zweimotoriger Heckantrieb; modellprädiktive Regelung; Pfadverfolgung; Systemidentifikation; Feldversuche