基于自适应反步法的欠驱动UUV空间路径点跟踪控制

解决了一类欠驱动UUV系统在空间6自由度运动中的路径点跟踪控制问题。首先采用拉格朗日方程的形式,建立UUV的6自由度运动学模型和动力学模型,并基于Line-of-sight法建立欠驱动UUV的路径点跟踪误差模型;然后提出了基于反步法设计满足动力学限制的综合控制器,设计自适应律以抵消海流的干扰,并基于Lyapunov理论证明了所设计控制器的稳定性;最后仿真结果验证了该控制器的有效性,实现了欠驱动UUV三维空间的路径点跟踪控制。     

全驱动型AUV三维路径跟踪控制系统设计及分析

[目的]为满足全驱动型自主式水下机器人(AUV)水下搜救、回收及海底地貌成像等实际任务需求,研究全驱动型AUV三维路径跟踪控制应用的方法。[方法]阐述自主研发的"探海I型"全驱动型AUV系统组成,研究并建立该AUV推进器、水平面和垂直面控制的数学模型,设计一种新颖的智能积分S面三维路径跟踪控制器,分析设计的控制系统的稳定性,并通过仿真及湖上试验进行验证。[结果]结果表明所开发的AUV运行可靠,设计的控制器能较好地完成三维路径跟踪任务,可满足水下实际任务的需求,[结论]其三维路径跟踪控制器对全驱动型AUV及其他领域的路径跟踪控制应用具有借鉴意义。     

欠驱动船舶路径跟踪的神经滑模控制

为实现欠驱动船舶在存在风浪流外界干扰和参数摄动条件下的路径跟踪控制,提出一种基于可视距离的神经滑模路径跟踪鲁棒控制器。利用可视距离思想,根据期望路径与当前位置信息,分别设计船舶纵向速度和艏摇角的参考值,并视为镇定位置误差的虚拟控制律,将路径跟踪问题转化为纵向速度和艏摇角的镇定问题;结合神经网络和滑模方法,设计一种新的神经滑模鲁棒控制器,实现了对虚拟控制律的跟踪控制,无需确定参数摄动和外界干扰的上界,避免了控制器容易出现的饱和问题和抖振现象。仿真试验表明,设计的控制器对欠驱动船舶的模型摄动和外界干扰变化不敏感,可以实现路径的理想跟踪。     

基于EM算法的船舶大转向航向路径跟踪控制方法

目前研究的船舶大转向航向路径跟踪控制方法在解决航向环境变化下船舶大转向航向路径跟踪控制问题时,解决能力较弱,抗干扰能力较差。为解决上述问题,基于EM算法研究了一种新的船舶大转向航向路径跟踪控制方法,通过构建基于EM算法的船舶大转向特征模型获取完整的船舶信息并对其进行在线参数估计,为航向路径跟踪控制奠定基础,结合GPS定位系统对船舶的大转向航向路径进行实时跟踪和路径描绘,以EM算法对其大转向航向路径进行控制。实验结果表明,基于EM算法的船舶大转向航向路径跟踪控制方法跟踪准确、控制有效,适用于为了船舶领域的进一步发展。     

新能源船舶路径跟踪自抗扰控制方法

新能源船舶运动路径控制属于欠驱动控制,传统PID控制动态性能较差,无法适应新能源船舶运动中遇到的扰动问题。本文在对新能源船舶进行运动分析的基础上,提出一种新能源船舶路径跟踪自抗扰控制器的设计方案,该路径跟踪自抗扰控制器包括舵角自抗扰控制器、扩张状态观测器和跟踪微分器等,对舵角自抗扰控制器、扩张状态观测器和跟踪微分器进行了详细设计,使用Matlab对新能源船舶自抗扰控制进行了仿真,得到了轨迹跟踪、首向角变化以及速度变化的仿真结果。仿真结果表明,设计的控制器能够对设定轨迹进行跟随,具有较好的稳定性。     

面向水下搜救的自主水下航行器路径跟踪控制

对自主水下航行器（AUV）在执行水下搜救任务过程中遇到的三维路径跟踪控制和定点驻停问题进行研究。在固定坐标系和机体坐标系下建立AUV的运动学模型，引入流体坐标系，设计适宜进行运动控制的三维路径跟踪控制器，并在Serret-Frenet坐标系下建立AUV的路径跟踪误差模型；基于三维视距制导律控制设计AUV的三维路径跟踪控制器，在此基础上提出一种适于水下搜救工况的AUV路径跟踪控制方法，使AUV能完成对参数化路径的跟踪和在预设目标点的驻停；同时，基于李雅普诺夫稳定性原理证明该控制器的稳定性。仿真试验结果表明，设计的控制器有效，能实现对面向水下搜救的AUV路径跟踪控制。     

一种无人艇路径跟踪控制器的设计与验证

针对无人艇的路径跟踪控制问题,基于内模控制和L1制导算法设计并实现无人艇路径跟踪控制器。通过对状态空间型船舶线性数学模型进行在线参数辨识,实现对无人艇操纵响应模型参数的在线估计;基于内模控制和无人艇操纵响应模型,设计并实现无人艇的艏摇角速度控制器;采用L1制导算法设计并实现无人艇的路径跟踪控制器。实船试验结果表明,该路径跟踪控制器能较好地实现无人艇对参考路径的跟踪。     

Serret-Frenet框架下欠驱动船的输出反馈路径跟踪鲁棒控制

研究欠驱动船舶在规定速度条件下的路径跟踪控制问题,提出一种基于终端滑模与Backsteping方法相结合的复合输出反馈控制策略.该控制策略利用Backsteping能够获得控制算法显式解的优点,构造出控制器算法的结构形式,然后设计一个基于观测器设计的逆动态终端滑模面,使得系统的估计状态跟踪误差能够在有限时间到达滑模面上,最终达到系统可镇定.最后,通过Lyapunov稳定性理论证明该复合控制策略的稳定性.利用实船数据进行数字仿真,结果表明该控制策略具有良好的跟踪性能.     

大数据驱动的船舶航行路径跟踪研究

船舶航行路径跟踪控制时控制器会经历次数较多的更新而加速磨损,因此设计一种大数据驱动的船舶航行路径跟踪方法。忽略船舶航行过程中的升沉、俯仰和横摇运动,建立船舶三自由度数学模型,简化惯性矩阵,引入坐标变换公式解决外界扰动补偿问题;在控制器设计中,引入机器学习算法构造虚拟控制律的预选函数,采用滤波器去除外界干扰,完成大数据驱动的船舶航行路径跟踪研究。实验结果表明,设计方法大幅减少了控制器的更新次数,具有一定有效性。     

欠驱动便携式ROV定深运动特性分析与控制研究

针对研制的一种三推进器布局的欠驱动便携式ROV(Remotely Operated Vehicle)无法垂直定深这一问题,利用流体仿真软件Fluent中RNG k-ε湍流模型分析了其斜航定深过程中航速和俯仰角度对航行稳定性的影响。基于动网格技术和用户自定义函数(UDF)对不同定深航姿进行了模拟仿真并得到了相应的航行阻力、俯仰力矩及变化规律,出于稳定性的考虑,确定了便携式ROV斜航定深时的最佳航行姿态。并根据定深运动特性设计了双闭环模糊PID定深控制器,利用Matlab/simlink仿真软件结合流体分析结果进行仿真,仿真中模拟施加了不同工况下的干扰。结果表明,与传统PID控制器对比该控制器具有更好的控制性能。     

基于模糊 PID 的光电跟踪系统自适应前馈补偿控制*

为降低干扰力矩对光电跟踪系统精度的影响,提出了基于模糊 P ID的光电跟踪系统前馈补偿控制方法。首先,分析了按扰动前馈补偿的控制原理,提出了自适应前馈补偿方法;然后,对用直流力矩电机驱动的光电跟踪系统进行了建模;最后,为光电跟踪系统位置环设计了模糊PID控制器,并在此基础上设计了与之相匹配的自适应前馈补偿函数。仿真结果表明,相对于PID控制的固定前馈补偿控制器,所设计的控制器加快了反应速度,大幅提高了控制精度。     

基于积分视线法的船舶自抗扰轨迹跟踪控制研究

通常采用螺旋桨和舵来控制船舶在水平面的三个自由度运动,属于欠驱动控制,其轨迹跟踪控制器的设计具有很大的难度。论文将欠驱动水面船舶的轨迹跟踪问题解耦为转首运动控制和纵向运动控制这两个子控制系统,采用积分视线法确定期望首向角和期望纵向速度,通过Lyapunov稳定性理论证明了控制系统的稳定性;采用自抗扰控制技术中的扩张状态观测器设计首向控制器和纵向运动控制器。通过静水和波浪中的直线轨迹跟踪仿真试验,验证了设计的控制器的有效性。     

基于模型预测控制的履带式无人平台轨迹跟踪控制算法研究

目前常用的纯跟踪算法、线性二次调节器(LQR)、前馈-反馈控制等轨迹跟踪算法大多只考虑车辆的运动学特性,在无人车辆高速运动时跟踪误差较大。为了解决上述问题,以双侧电驱动履带无人车辆为研究对象,建立了运动学和动力学模型。以左、右两侧转速作为控制量,考虑车辆动力学约束和状态量约束,运用二次优化理论和状态反馈控制原理,在Matlab/Simulink中搭建车辆动力学模型和控制器。从轨迹曲线中可以看到,低速时,两种控制器的轨迹误差在3m左右,算法响应速度快,控制量变化平稳。高速时,动力学模型控制精度高,跟踪误差不超过5m。     

限制区域水面无人艇路径规划与跟踪控制研究

路径规划与跟踪控制是水面无人艇自主航行的关键技术.首先,采用概率地图法(PRM)对水面无人艇的路径规划进行了研究,详细介绍了概率地图法的原理以及算法实现流程,针对传统方法在工程实际中存在的问题,结合无人艇操纵性能约束提出了简单有效的改进方法,进行了算例验证;其次,以PRM规划路径为目标对象,开展了欠驱动无人艇路径跟踪控制技术研究,对操舵响应非线性模型进行线性化处理,考虑舵角饱和约束限制,设计了模型预测控制器,舵角的执行指令可以通过二次规划算法求解;最后,进行了限制区域水面无人艇路径规划和跟踪控制的联合仿真验证.研究结果表明:概率地图法可以成功地应用于限制区域无人艇路径规划,方法可实现性好、效率高;规划所得的路径由一系列直线段组成,有利于路径跟踪控制;通过模型预测控制可以快速平稳地实现欠驱动无人艇对目标路径的跟踪控制.     

欠驱动船舶鲁棒路径跟踪控制器设计

针对欠驱动船舶直线路径跟踪控制系统中存在的外界干扰影响,提出一种鲁棒跟踪控制算法.该控制算法基于重定义输出、解析模型预测控制、高增益观测器等技术,使得欠驱动船舶能够渐近镇定于给定的直线参考路径.计算机仿真实验验证了算法的有效性.所提出的控制器具有良好的控制效果以及对外界干扰的鲁棒性.     

基于模糊规则的鲁棒预测舵减摇控制北大核心CSCD

[目的]针对模型预测控制(MPC)中因权重值固定所导致的欠驱动船舶在舵减摇时对转向的响应较慢的问题,提出一种基于有限时间扩张状态观测器(FTESO)、模糊控制规则和鲁棒预测控制的舵减摇控制器设计方法。[方法]首先,建立固定航速欠驱动船舶线性模型用于控制器设计,FTESO用于观测船舶运动状态和外部扰动;然后,通过对船舶在航向保持和变航向的情况进行分析,设计这2种情况下的目标函数权重,并建立状态观测值与目标函数权重之间的模糊规则,随后采用鲁棒预测控制解决带约束的多目标协同控制问题;最后,以一艘多用途舰艇为例进行数值仿真分析。[结果]结果显示,在航向改变情况下,对比扰动补偿模型预测控制和扰动观测器强化模型预测控制,发现减摇效果分别提升了5.74%和0.8983%,对于30°的转向的响应时间分别减少了1.8和7.3 s,证明了所设计控制方法的闭环稳定性。[结论]研究表明,所提方法在欠驱动船舶减摇方面是有效的。     

基于动态执行机构的船舶循迹反步积分控制（英文）

文章针对连续曲率路径,用一种简单的几何方法生成连续曲率的路径。基于该几何方法生成的连续路径,文中利用line-of-sight(LOS)引导律解决了循迹控制中横向偏差最小的问题。为了减弱控制输出的振荡和获得平滑的控制输出,一种基于动态执行机构的改进反步积分控制器在过驱动船舶循迹控制中得到了应用。值得注意的是,文中用积分操作来抵抗风浪流环境力。数值分析结果展示了该控制器的有效性。     

基于动态执行机构的船舶循迹反步积分控制

文章针对连续曲率路径,用一种简单的几何方法生成连续曲率的路径.基于该几何方法生成的连续路径,文中利用line-of-sight(LOS)引导律解决了循迹控制中横向偏差最小的问题.为了减弱控制输出的振荡和获得平滑的控制输出,一种基于动态执行机构的改进反步积分控制器在过驱动船舶循迹控制中得到了应用.值得注意的是,文中用积分操作来抵抗风浪流环境力.数值分析结果展示了该控制器的有效性.     

基于FTESO和漂角补偿的船舶航向滑模控制

[目的]为提高水面欠驱动船舶的航向跟踪性能,减小航向误差,研究一种基于有限时间扩张状态观测器(FTESO)的船舶航向滑模控制方法.[方法]首先,采用预滤波器减小船舶转向时较大的航向变化率影响,利用扩张状态观测器对时变漂角进行估计,然后通过估计出的漂角及时修正航向误差.为简化控制器设计,艏摇方向上的外部扰动和内部不确定项...     

欠驱动船舶路径跟踪的非线性模型预测控制

文章针对欠驱动船舶的路径跟踪提出了一种解析解模型预测控制方法,使其能够驶入预先规划好的航行路径。采用了Serret-Frenet坐标系来描述船舶运动,并且引入了重定义输出,由此避免了模型预测控制中的病态相关度问题,同时将原单输入多输出系统转化为单输入单输出系统。文中的算法提供了一种获得合适的控制参数的系统方法,保证了闭环系统的稳定性。数值仿真结果验证了该控制器的有效性。