基于模型预测控制的无人艇VO避障

在高速行驶中,无人艇速度快、反应时间短,为了达到安全避障的要求,避障算法必须实时性好、稳定性高。同时,在高速场景中,无人艇的静浮力较小,流体升力较大,风浪流对无人艇的影响较低速场景更加显著,稳定的航迹跟踪与避障控制面临挑战。为了达到良好的避障效果,无人艇必须要满足控制量的约束,同时要削减外界扰动带来的不利影响。无人艇控制系统是一个多输入多输出系统,而模型预测控制则是处理多变量约束优化问题最有效的方法之一。本文提出基于模型预测控制的无人艇VO避障算法,通过仿真实验实现了该算法的避障功能,并将该算法与传统的VO算法避障效果作对比,验证了该算法的有效性,同时,通过分析模型不确定性对该避障算法性能的影响,证明了该算法的鲁棒性。     

无人艇自主避障算法设计与仿真

文章针对无人艇全局路径规划航线上可能存在未知静态障碍物,影响其安全航行的问题,提出加装超声波传感器和罗盘,分别用于测量无人艇航行过程中与障碍物的距离信息和偏航角,作为无人艇运动控制器的输入。同时设计了包含岸基和船载的无人艇运动控制系统,采用模糊控制算法实现自主避障功能,依靠专家经验制定无人艇运动控制规则,依据航速和传感器探测距离设计隶属度函数,Matlab仿真路径有效避开了障碍物,得到了安全的航行路径,验证了算法有效性。     

基于Citespace的水面无人艇路径规划与避障算法研究

水面无人艇作为一种机动灵活的水面自主平台,因其可在危险或极端环境下替代人执行水文勘察、巡逻搜救等任务,近年来引发了国内外研究热潮。路径规划与避障作为无人艇自主作业的前提,受到重点关注。本文利用科学计量软件Citespace对无人艇的路径规划与避障技术进行分析,系统总结水上无人艇的感知模块、路径规划与避障经典算法及新兴算法,并对该领域的未来发展进行展望。     

基于海事规则的水面无人艇动态障碍规避方法

针对水面无人艇对探测到的电子海图上没有标示的动态障碍物的规避问题,提出符合国际海上避碰规则公约的规避方法,将动态障碍物某一运动时刻转换为相对无人艇瞬时静止的状态,对避障模型进行实时计算;并通过粒子群优化算法解算出无人艇进行避障所需的最优航速和航向改变量。仿真实验表明,该方法可得到合理的规避策略,有效地完成动态障碍物的规避任务。     

基于改进RRT~*算法的无人艇全局避障规划

在水面无人艇全局避障规划领域,RRT~*算法及其改进方法规划的路径长度过长、转折过多,并且规划路径紧靠障碍物,不利于水面无人艇的安全行驶。针对此问题,本文提出一种新的基于线段定理和RRT~*算法(Line segment theorem-RRT~*)的LT-RRT~*算法。该算法对环境地图进行预处理,标示出障碍物周围危险区域,为无人艇与障碍物之间留出安全距离。再根据终点采样概率选取采样点,改善RRT~*算法由于全局采样引起的路径不稳定性。最后根据线段定理重新选取新节点和附近节点的父节点,跳过中间节点连接树节点,减少路径折点,最终生成相对平滑的避障路径。在相同环境下,将改进算法与现有算法避障规划效果进行比较分析,结果表明了LTRRT~*算法的有效性。     

多无人艇的航迹分散控制算法

传统多无人艇航迹控制算法有效控制范围较小。对此,设计多无人艇的航迹分散控制算法。对无人艇航迹参数进行坐标定位,建立航行轨迹方程,获取无人艇漂角等参数坐标,利用无人艇初始位置和航向漂角等信息,生成无人艇期望航向角,明确无人艇控制航迹,提出船舶PID控制规律算法和辅助性指标TTAR算法,解决多无人艇期望航向角重合问题,实现多无人艇航迹分散控制。实验数据表明,设计的无人艇轨迹分散控制算法无人艇控制绝对有效控制范围扩大27%,次级控制范围扩大19.5%。具有实际应用优势。     

基于改进人工势场法的欠驱动无人艇避障

针对欠驱动无人艇水面避障任务中使用人工势场法避障时存在期望避障航向角变化过大，引起无人艇避障轨迹摆动大的问题，提出引入自衰减斥力场的改进人工势场方法，解决期望航向角突变和抖动的问题。改进方法通过叠加环绕斥力克服了局部极小点问题，利用自衰减斥力的特性，使无人艇避障斥力变化平缓，避免了无人艇靠近障碍物后期望避障航向角急剧变化，优化了避障轨迹。进行多组湖面试验，测试该方法的效果，并对比传统方法与改进方法在相同避障场景下的避障轨迹。结果表明，改进方法的避障轨迹更加平滑，期望避障航向角变化平缓。     

基于Arduino开发环境的无人艇控制系统设计

针对无人艇实体硬件开发较少、设计开发周期长且控制系统造价昂贵这一现状,设计一种无人艇控制系统。系统以Arduino为集成开发环境,整体涵盖电机驱动系统、环境感知系统、运动状态监测系统和通信系统。系统以At Mega 2560单片机为主控单元,集成电机驱动模块、超声波传感器模块、GPS模块、惯性导航模块以及GPRS模块,并完成集成电路设计与集成开发板的制作。通过对主控单元进行编程,结合自动路径规划算法和自动避障算法,无人艇可以完成自主运动控制和对周围环境的智能感知,且无人艇船载设备端与网络控制端之间可以进行实时交互,具有无线网络通信功能。最终实现一种低成本、高效率的无人艇控制系统设计方案,具有实际工程应用价值。     

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。     

基于改进双向RRT的无人艇局部路径规划算法研究

以高速航行的无人艇迅速规划出较优的局部避障路径为目标,提出一种基于改进双向RRT的无人艇局部路径规划算法。针对传统双向RRT算法随机性过强,规划的路径往往曲折较多的问题,对每一个新延伸的节点施加转角约束。针对传统双向RRT算法两棵树经常不能平滑连接的问题,在主动连接点施加转角约束及距离约束。还提出了一种新的动态步长策略。仿真结果表明,用改进算法规划的路径质量更好,算法收敛时间更短。     

风浪流干扰下的无人艇航向模糊自适应模型的研究

由于无人艇在风浪流航行环境下具有非线性和复杂性的特点,运用经典控制理论和现代控制理论建立无人艇的模型较为困难。论文通过对无人艇航行过程中所受的风浪流扰动进行分析,以无人艇运动操纵模型作为基础,采用分类建模的方式,融合模糊控制的思想及Nomoto模型,建立了无人艇在风浪流环境干扰下的航向模糊自适应模型。借助Matlab建模工具搭建模糊控制器,观测数据变化情况,获得较为准确的模型参数。     

基于机器学习的实海域无人艇避碰算法智能演进方法

[目的]无人艇(USV)效能是指在给定时间内的特定海域完成指定任务的能力,是多层次多技术节点耦合作用的结果,而针对单一技术节点的传统优化方法,对无人艇效能的提升效果有限。[方法]针对无人艇自主系统的特点,从智能算法的角度,提出无人艇智能演进的2种主要形式:一是算法函数;二是算法参数。在此基础上,给出基于机器学习的无人艇智能演进方法,设计一种可演进的无人艇自主系统控制体系架构,并在实海域测试。[结果]以无人艇避碰算法为例,基于实海域测试结果,初步验证了所提方法在提升无人艇效能方面的可行性与有效性。[结论]基于机器学习的无人艇智能演进方法是持续提升无人艇效能的有效途径,具有较高研究价值和应用意义。     

基于精确罚函数的无人艇航迹规划和自动避障算法

[目的]对于已知多个障碍物的局部水域,如何规划安全高效的无人艇(USV)运动航迹,是当前的研究热点。[方法]首先,采用简洁有效的圆形包络面和凸四边形包络面处理障碍物区域,并将避障问题转化为时间最优控制问题中的状态不等式约束;然后,利用控制参数化和时间尺度变换,将时间最优控制问题转化为最优参数选择问题;最后,对于由多个障碍物带来的多个连续状态不等式约束,采用精确罚函数法将所有的状态约束都附加到目标函数中,从而构建适用于任何有效优化技术予以求解的非线性优化问题。[结果]数值仿真结果表明,该算法所规划的航迹能成功规避水域中的所有障碍物,同时符合无人艇的运动特性。[结论]研究成果可为无人艇航迹规划的避障问题提供参考。     

无人艇通讯导航控制系统设计与实现

根据无人艇的特点及其对通讯导航控制的需求,定义了艇上设备间及无人艇与岸基控制软件间通信数据格式,研制了数据采集处理传输板卡,将艇上传感器、通信设备以及运动控制器组成统一的数据采集处理传输网络。根据无人艇的结构与运动特征,仿真验证了基于模糊PID无人艇运动控制方法的可行性与可靠性。搭载该通讯导航控制系统的无人艇经过多次下水试航,实测结果表明:所研制的通讯导航控制系统能够满足无人艇的通讯导航控制要求,具有稳定的通信导航功能,能够实现无人艇的自主巡航和自主避障,具有较好的可靠性和稳定性。     

无人智能测量艇系统设计与关键技术研究

无人智能测量艇体积小、吃水浅、行动灵活,非常适合代替大型有人测量船在大陆和岛礁岸线区域开展作业。文中在分析国内外现有无人智能测量艇发展概况的基础上,构建精海系列无人智能测量艇的总体结构和软硬件系统,对环境感知技术、自主避障技术、动力定位技术和陀螺减摇稳定技术等四大关键技术进行研究。通过外海航次试验,验证了精海系列无人智能测量艇的可靠性和实用性。最后对无人智能测量艇的未来发展方向做出了展望。     

基于粒子群优化支持向量机的水面无人艇故障诊断

通过故障诊断可以对水面无人艇可能要发生的故障进行预报、分析和判断，从而及时调整控制策略以抑制故障的继续发展，为消除故障、维修设备提供准确的技术支持.SVM是基于统计学习理论的一种机器学习方法，常用于故障诊断，在解决小样本、高维度、非线性模式识别问题中有独特优势.SVM分类的准确率由其属性参数直接决定，而最佳的属性参数往往很难直接得到.基于粒子群优化SVM(PSO-SVM)的水面无人艇故障诊断方法，即将粒子群优化算法(PSO)用于SVM属性参数的优化选择中，充分发挥了PSO算法的全局搜索能力和易于实现的优势.水面无人艇故障诊断实例分析结果表明，PSO-SVM的故障诊断精度高于BP-NNs、GS-SVM、GA-SVM。PSO-SVM适用于水面无人艇故障诊断.     

无人水面艇模糊自抗扰路径跟踪控制的研究与验证

针对无人水面艇路径跟踪的精确控制问题，进行路径跟踪控制的研究。根据需求构建合适的无人水面艇运动数学模型，利用自抗扰控制算法，设计路径跟踪控制器，考虑到自抗扰控制中参数较为繁杂且整定不易的特点，结合模糊控制理论设计模糊自抗扰路径跟踪控制器。以大连海事大学“蓝信”号无人艇为研究对象，针对所设计的2种控制器进行MATLAB仿真试验，并使用“蓝信”号无人艇在大连星海湾大桥外海域进行实船验证试验，通过对仿真结果和试验结果的分析与对比，验证了所设计方法的可行性和有效性。     

无人船远距离目标追踪与自动避障算法优化

传统的自动避障算法存在避障效果不明显,准确度低的问题。为此,提出无人船远距离目标追踪与自动避障算法优化。应用模糊控制法,计算出一条远距离目标追踪路径,在依据航向计算模型,优化自动避障算法,在完成上述操作步骤后,应用设计值方程,优化追踪与避障系数,完成无人船远距离目标追踪与自动避障算法优化设计。在实验中,选择在受限水域中对2种算法进行对比分析,由实验对比结果可知,无人船远距离目标追踪与自动避障算法的避障效果更好,准确度更高,并且具有一定的可行性。     

基于改进的视线导引算法与自抗扰航向控制器的无人艇航迹控制

[目的]无人艇(USV)在复杂环境情况下会出现偏离目标航线的情况,为提高水面无人艇的抗干扰能力及实际航行的稳定性,实现对航迹的准确控制,提出一种改进的无人艇航迹控制方法。[方法]根据导航信号受环境影响的情况,对GPS信号有效和无效2种情况下的航迹控制分别进行分析,在自主可控平台上设计并实现了基于模糊控制可变船长比的视线导引算法(LOS)和自抗扰航向控制器(ADRC)相结合的航迹控制方法,并开展了双桨双舵无人艇湖上试验。[结果]仿真结果表明:该方法可满足航迹控制的要求,转弯后航向能够快速保持稳定,无频繁摆舵现象,且该方法能够完成真实环境下的航迹控制,航迹贴线误差均值约为0.1 m,方差约为0.03。[结论]湖上试验结果验证了该算法在实际工程应用中的可行性和有效性。     

Multiple USV cooperative algorithm method for hunting intelligent escaped targets北大核心CSCD

[目的]针对无人艇协同围捕过程中逃跑目标具备智能性,现有无人艇策略难以围捕成功的问题,提出一种基于双层切换策略的多无人艇协同围捕算法。[方法]第1层围捕策略采用改进势点法,以无人艇与势点的总直线距离最小为优化目标,采用匈牙利算法为无人艇动态分配势点,并采用人工势场法实现无人艇的协同避碰;第2层围捕策略利用了阿波罗尼奥斯圆的性质,在两艘无人艇前往逃跑目标的目标点进行拦截,剩余无人艇运动方向保持与逃跑目标相同,以不断缩紧包围区域;为应对逃跑目标不同的逃跑方式,第1层围捕策略和第2层围捕策略可互相转化。[结果]仿真实验表明,该算法相较于顺序分配势点算法和极角分配势点算法,围捕时间更少或持平,证明了该算法的有效性和先进性。[结论]该多无人艇协同双层围捕算法,对具备典型智能性的逃跑目标具有围捕效果。