基于滑模的欠驱动无人艇的包含控制问题研究

本文研究了具有多个动态领航船的欠驱动无人艇的包含控制问题。假设所有跟随船不知道领航船的控制输入,并且只有部分跟随船能够获得部分领航船的位置和速度。在此条件下,本文首先提出了一种基于虚拟领航船的包含控制方法。使用该方法可以将多无人艇的包含控制问题简化为虚拟领航船的包含控制问题和跟随船的目标跟踪问题。然后为虚拟领航船设计了相应的包含控制算法,并基于滑模控制理论为跟随船设计了目标跟踪算法。仿真结果验证了所提出的控制方法的有效性。     

恶劣海况下无人艇航行路线自动跟踪系统设计

为解决传统无人艇自动跟踪完成率低、路径规划不准确的不足,提出了恶劣海况下无人艇航行路线自动跟踪系统设计。基于无人艇的自动跟踪系统整体结构设计、自动跟踪传感器设计,实现系统的硬件设计;依托自动跟踪路线规划与识别流程设计、航行路线自动跟踪算法设计,完成系统的软件设计,实现了恶劣海况下无人艇航行路线自动跟踪系统设计。试验数据表明,提出的航行路线自动跟踪系统较传统自动跟踪系统,跟踪完成率提高27.5%,路径规划准确率提高35.01%。更适合恶劣海况下无人艇航行路线自动跟踪。     

水面无人艇集群系统研究

研制开发1套水面无人艇(USV)集群系统,使无人艇能够实现集群化运作。根据系统的功能需求,设计系统的整体架构,将整个系统划分为岸基基站子系统和无人艇子系统。基于模块化设计理念,再将子系统细分成各个模块,分别对各模块进行硬件选型与软件设计,使其有机的结合,建立具备多任务、长航时、高精度导航及较高智能化的集群系统。将系统运送至喻家湖湖区进行各项试验,实验结果表明,该水面无人艇集群系统具有良好的实时性、准确性与可靠性,能够满足集群化运作的要求。该系统的结构还可扩展至无人机、无人水下航行器等,对今后开展无人集群系统的协同化、智能化研究具有参考意义。     

水面无人艇系统的设计实现与未来展望

水面无人艇是一种具有自主航行与路径规划能力,可搭载不同任务载荷,并且能够完成设定任务的水面舰艇。具有航速高、智能化、机动性强、无人员操控等优点,被广泛应用于海洋空间资源探测、海底测绘、应急救援、情报收集、反潜反水雷等任务。由于无人艇上的各类应用必须依附于无人艇系统完成,因此要求无人艇必须具有完备而先进的系统。本文将从系统设计的角度,对水面无人艇系统的设计实现与未来展望进行论述。     

无人艇远程优化服务平台设计

针对各类无人艇新艇型优化设计系统相对独立、设计信息相对封闭、设计周期长、成本高及缺乏综合集成平台等一系列问题,本文提出一种基于互联网的无人艇远程优化服务平台。以一种水面无人翼滑艇为研究对象,综合考虑无人艇快速性、操纵性、耐波性及抗倾覆性,结合约束条件,建立航行性能的无人艇艇型综合优化数学模型,并基于Visual Studio平台构建1套水面无人艇综合优化服务平台。采用打包工具将平台制作成可供安装的客户端应用程序,通过远程控制软件和网站发布的形式实现服务平台的远程应用。经测试,无人艇远程优化服务平台可靠性良好,计算结果稳定,计算结果文件传输方式可靠。可有效缩短新船研发与设计周期,降低设计成本。     

水下拖曳体自主布放回收装置设计与研究

为了保证搭载于水面无人艇(Unmanned Surface Vehicle)的水下拖曳体(Underwater Towed Vehicle)能够正常工作,并且能够自主布放和回收水下拖曳体,设计了一种基于无人水面艇的水下拖曳体自主布放回收装置。该装置主要包括绞车、液压系统、滑台、滑轨、起升架以及其他辅助机构,通过液压驱动绞车实现缆绳的收放,通过液压缸驱动起升架、滑轨和滑台实现3级布放回收。整套装置采用液压驱动,滑道式布放回收,该自主布放回收装置可靠性高,占用甲板空间小,满足无人条件下作业,提高了工作效率,工程应用价值高。     

海巡艇远程调度指挥系统建立与应用

介绍了基于北斗导航卫星系统的海巡艇远程调度指挥系统的组成及其功能,该系统的应用实现了对我国全海区海巡艇的无缝隙有效调度指挥,以及船舶之间、船岸之间的快速信息传输,提高了海事监管的快速反应能力和海上搜寻救助成功率。     

基于RTK的自主海水环境探测无人艇

为实现海水环境监测的无人化,设计了基于RTK的自主海水环境探测无人艇。系统主要由岸基控制显示单元、系统服务器、无人艇以及锂电池组组成。岸基控制显示单元用于和无人艇交互信息,系统服务器用于存储系统运行参数以及监测数据,无人艇实现自主巡航和具体测量任务。无人艇控制器使用的是基于STM32单片机的无人艇控制板,集成的设备有RTK、磁力计、多参数水质监测仪、单波束等。经过测试本系统可以安全可靠的按照预定轨迹运行,运行轨迹误差不超过0.8 m。     

基于智能预测控制的鱼雷状小型无人艇轨迹跟踪研究

[目的]针对无人艇（USV）在狭窄湖泊、涵洞作业时存在精度保持难和航迹控制难的问题,以自主研制的一款鱼雷状小型USV为对象,提出一种轨迹跟踪智能预测控制方法。[方法]首先,构建自主研制的欠驱动USV非线性状态空间模型;然后,设计智能预测控制器,该控制器基于模型预测控制的设计思想并结合改进的粒子群算法,在线决策、优化每一时刻的性能指标并纠正预测状态;最后,开展仿真和湖试试验测试系统对参考轨迹的跟踪性能,并与线性模型预测控制器的跟踪性能进行比较。[结果]结果表明,所设计的智能预测控制器超调小、抗干扰性好。[结论]所提方法不仅能运用于鱼雷状小型USV跟踪系统,也能对其他USV跟踪系统起到很好的借鉴作用。     

基于视觉伺服的欠驱动无人水面艇自主靠泊方法

无人水面艇在开阔水域的自主航行得到了广泛的应用，但由于码头结构复杂、船只较多等因素，目前无人水面艇的靠泊还是需要人工来完成，这已成为无人水面艇全自主作业的瓶颈问题。为此本文提出了一种基于视觉伺服的无人水面艇自主靠泊方法。首先，通过无人水面艇搭载的视觉系统采集泊位的场景，从中提取出泊位标志物并将其作为视觉跟踪的对象；然后，利用标志物图像和期望图像的几何参数计算出航向偏差角，通过标志物图像计算标志物和无人艇的位置关系并求得虚拟航线，进而得到偏航距离；最后，选取航向偏差角和偏航距离作为控制变量，控制器实时调整无人水面艇航向和航速使其驶向泊位，当标志物图像与期望图像的差值小于设定阈值时即停止自主靠泊任务。实船试验结果表明，在较小风浪条件下靠泊位置误差小于0.7m，航向误差小于12°。     

基于尾滑道的无人艇自主引导回收系统开发与验证

本文以某型7.6 m柴油动力小艇为研究对象,开展基于尾滑道的无人艇自主引导回收系统的设计与开发。该系统主要由无人艇端自动控制模块和母船端监控引导模块两大部分组成。在完成各功能模块研制的基础上,开展了无人艇上下位机通信、数据采集与传输、远程手动遥控、无人艇回转特性与速度特性以及无人艇自主引导回收模拟试验等相关测试。测试结果表明,系统具有较好的响应性、稳定性及无人艇操控性能,能较好地满足无人艇自主返航及引导回收的要求。本文研究为实现无人艇自主引导回收提供重要的基础保障。     

一种面向科研实验的无人艇

为对无人艇的相关技术进行实船验证研究,在分析科研试验对无人艇系统需求的基础上,设计和实现一种基于以太网的分布式无人艇系统。该系统利用微控制器实现对传感器数据和设备数据的分布式处理,并通过以太网交换机组建数据交换局域网;利用开源通信协议和开源库对系统软件进行开发;详细介绍无人艇系统的具体设计和实现过程。系统测试和实船试验结果表明,所设计和实现的无人艇系统工作稳定,能较好地完成指定任务。     

水面无人艇控制器设计与避碰试验

针对传统无人艇通信距离短,功能少的问题,设计一种新的无人艇航行控制器。首先在试验用的无人艇上搭载并调试好各种通信和控制设备,然后在VS2017环境中编写控制程序,使之具备实现岸站与无人艇的通信、数据采集、下达运动控制指令等功能,并在无人艇上装备航海雷达,在航行过程中不断扫描水域环境,提取附近的障碍物信息。最后进行拖曳水池试验和湖试,验证无人艇的操纵性能和所编程序的有效性。试验结果表明,利用所设计的无人艇控制器及编写的程序能实现无人艇自主航行,并采取合理的措施避让障碍物,在软件地图中可以显示无人艇的运动轨迹。     

《水上/水下无人设备》

1898年,尼古拉·特斯拉发明出人类历史上第一艘水面无人艇。20世纪60年代,美国研发了一款遥控扫雷艇;作为早期的无人艇,尽管其功能单一,但相比传统船艇而言,它能够实实在在地避免人员在执行任务时遭遇危险。随着科技的发展,水上/水下无人设备技术越来越先进。直至2013年,我国的云洲智能科技有限公司推出了世界第一艘环境监测无人船;翌年,其自主研发的海洋高速无人船——“领航者”号正式发布,填补了国内在无人船领域的技术空白。     

基于扩张状态观测器的双桨推进无人艇抗干扰目标跟踪控制

[目的]针对无人艇(USV)的模型不确定性和未知海洋环境扰动,提出一种基于扩张状态观测器(ESO)的双桨推进无人艇抗干扰目标跟踪控制算法。[方法]在运动学层级,设计基于平行接近制导原理的目标跟踪制导律;在动力学层级,针对模型不确定性和未知环境扰动,设计基于ESO的纵荡速度和艏摇角速度自抗扰控制律,以减小模型不确定性和环境扰动的影响;最后,通过输入状态稳定性定理和级联定理分析所提控制器的稳定性。[结果]实验结果表明,基于所提的自抗扰目标跟踪控制方法能使跟踪船有效地跟踪虚拟目标点。[结论]研究成果可为无人艇在环境扰动下的目标跟踪提供参考。     

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。     

基于最优控制的双喷推无人艇路径跟踪方法

针对双喷推无人艇自主航行时的路径跟踪问题,采用最优控制的方法进行求解。根据双喷推无人艇的动力学特性建立双喷推无人艇三自由度运动方程,并由任务需求设定目标函数;在此基础上,根据航行实况建立约束条件,从而得到求解双喷推无人艇路径跟踪问题的数学模型。通过建立含有拉格朗日松弛项的哈密顿函数,将带有复杂约束的优化问题转化为无约束优化问题,采用粒子群优化算法求解最优拉格朗日乘子,并将其代入哈密顿函数;采用广义梯度下降法对数学模型进行求解,得到最优的喷泵电机转速,从而实现对双喷推无人艇的路径跟踪控制。设计实船试验验证方法的有效性,双喷推无人艇路径跟踪试验结果表明,双喷推无人艇实测的轨迹与设定轨迹的最大偏差不超过3m,该方法具有可行性和实用性。     

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。     

复合动力超长续航无人艇系统的设计与实现

为实现无人艇在海上追踪、搜救、巡逻、反潜等任务中的超长续航,避免因油料限制而被迫任务中断,设计了一套以风能、太阳能为动力的无人艇系统,利用风帆为无人艇推进,太阳能为船上电控设备提供电能。该系统由无人艇和岸基监控平台组成,无人艇可通过python开发的数据采集模块和算法模块实时采集环境数据、计算、生成并下达控制指令,在风区内可超长续航自主航行,实现全风向利用；岸基监控平台可实时监控无人艇状态,并进行自主/遥控模式切换。对系统进行了测试,通讯连接试验的可靠性高；无人艇航行试验验证了全风向自主航行的可行性,运行轨迹与仿真结果基本重合；太阳能供电分析理论上验证了风区超长续航的可实现性。