具有预设性能的船舶轨迹跟踪动态面控制

为了提高船舶轨迹跟踪非线性控制系统的暂态性能和稳态性能,本文设计了一种具有预设性能的船舶动态面轨迹跟踪控制器。首先,根据船舶轨迹跟踪控制系统的特点设计了满足实际要求的预设性能约束函数,并把其等价为无约束函数方程。再次,在此基础上利用动态面技术设计了一种有预设性能的船舶轨迹跟踪控制器,动态面技术的引入解决了传统反步法的计算膨胀问题,具有计算量小、易于实际工程的实现等优点。最后,通过 Lyapunov 理论证明了,控制系统中的所有信号都是一致最终有界,且跟踪误差能够收敛到一个预设的区域内,同时保证其稳态误差、最大超调量和收敛速度均满足预先设定的性能要求。通过一艘供给船进行仿真研究,结果表明了所设计的控制器的有效性。     

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。     

基于光学遥感图像的船舶跟踪算法研究

船舶在海上航行中需要进行实时跟踪避免航向偏离,提出基于光学遥感图像的船舶跟踪算法。采用光学遥感检测方法进行船舶运动成像,对采集的船舶光学遥感图像进行融合滤波,降低船舶遥感图像的噪点,采用Harris角点检测方法对船舶光学遥感图像进行动态特征点标注,提取反映船舶航行动态特征的轨迹,结合遥感图像监测方法实现对船舶的动态跟踪识别。仿真结果表明,采用该方法进行船舶跟踪和遥感成像,输出光学遥感成像的质量较好,信息融合度较高,提高了船舶动态跟踪能力,确保船舶航行稳定安全。     

船舶航向非线性系统的自适应动态面控制

针对船舶航向控制非线性系统模型中存在的不确定性和外界干扰的影响,采用动态面控制算法设计了一种鲁棒自适应控制器.由于在反步法设计过程中加入了一阶低通滤波器使得该方法无需对模型非线性多次微分,因而设计方法简单.所设计的鲁棒自适应控制器不仅能保证闭环系统的半全局渐近稳定,使得输出渐近跟踪期望轨迹;而且,跟踪误差可以通过控制器的设计参数加以调整,同时该算法还能克服可能存在的控制器奇异值问题.数字仿真结果表明,控制系统对给定航向的跟踪具有良好的动态特性,对系统的不确定性,具有较强的鲁棒性.     

船舶航向非线性系统自适应动态面控制器设计

针对船舶航向控制非线性系统模型中存在的不确定性和外界干扰的影响,采用动态面控制算法设计了一种鲁棒自适应控制器.由于在反步法设计过程中加入了一阶低通滤波器使得该方法无需对模型非线性多次微分,因而设计方法简单.所设计的鲁棒自适应控制器不仅能保证闭环系统的半全局渐近稳定,使得输出渐进跟踪期望轨迹;而且,跟踪误差可以通过控制器的设计参数加以调整.以中远集装箱船COSCO Shanghai号为例进行仿真研究,结果证明所设计的控制器是有效的.     

基于最小二乘法的欠驱动水面船舶模型预测控制

针对欠驱动水面船舶轨迹跟踪控制问题,根据模型预测控制（Model Predictive Control,MPC）原理,提出一种基于参数化模型的非线性模型预测控制（Parameterized Model – Nonlinear Model Predictive Control,PM-NMPC）方法。采用最小二乘法对船舶的参数化模型进行辨识,设计PM-NMPC控制器。对环境干扰下的某集装箱船艏向角控制和轨迹跟踪进行试验,验证控制算法的有效性,并将该控制器与比例积分微分控制器（Proportional plus Integral plus Derivative controller,PID controller）进行对比。仿真结果表明,PM-NMPC控制器轨迹跟踪效果更好,对未知干扰具有更强的稳健性。     

基于非线性反馈的航向保持控制器优化设计

随着航海技术的不断发展,海上运输贸易越来越多,在追求货运量的同时,船舶航行"清洁、安全、高效"问题越来越受到关注。为了使船舶海上航行时更加节能,本文利用非线性反馈技术对船舶航向保持控制器进行优化。船舶运动数学模型采用Norrbin简化的模型,基准航向保持控制器采用模糊自适应PID控制器,仿真实验环境为七级海浪,实验表明利用非线性反馈优化的控制器可以使船舶航行更节能,鲁棒性优良。非线性反馈技术设计简单,在船舶航向保持、航迹保持、轨迹跟踪等船舶控制领域都具有良好的应用效果。     

卫星导航系统的船舶航行轨迹智能跟踪方法

针对当前船舶航行轨迹跟踪误差大的问题,为了提高船舶航行轨迹跟踪的精度,提出基于卫星导航系统的船舶航行轨迹智能跟踪方法。首先采用卫星导航系统对船舶航行相关信息进行采集,然后采用高斯混合模型对船舶航行轨迹进行检测和智能跟踪,最后其他的船舶航行轨迹跟踪方法进行对比测试。结果表明,在相同实验环境下,本文方法的船舶航行轨迹跟踪误差远远小于对比方法,船舶航行轨迹跟踪实时性能也得到较大的改善,解决船舶航行轨迹跟踪过程存在一些难题,具有更广泛实际应用范围。     

船舶航向模糊自整定操舵控制器的研究

船舶航向操舵控制是个典型的非线性系统,而工程上经常使用的常规PID(Proportional Integral Differential)控制器则为线性控制,至于模糊控制虽为非线性控制,但稳态精度不高。将常规PID控制与模糊控制相结合,基于Norrbin非线性系统模型和模糊自整定PID控制器的设计步骤,提出一种新的船舶航向控制算法,即船舶航向模糊自整定操舵控制器,并针对5 446标准箱的集装箱船舶,用Matlab进行了仿真计算。仿真结果表明,该控制算法可以使船舶航向控制从动态和稳态上都具有较好的精度,跟踪响应迅速,超调量小。     

基于模糊控制的自适应反馈调节系统

船舶操纵是一个非线性过程,定值反馈控制方式的操纵性能不能令人满意。针对上述问题,提出了一种基于模糊控制的自适应反馈调节系统,它可在线自动调整系统的反馈系数。仿真结果表明它在船舶操纵应用中具有较好的动态特性,鲁棒性和跟踪能力,在一定程度上改善了船舶的操纵性能。     

Online learning control of surface vessels for fine trajectory tracking

This paper presents an adaptive neural network (NN) controller for fine trajectory tracking of surface vessels with uncertain environmental disturbances. Regarding to the new demands for fine trajectory tracking, especially to the requirement of high-accuracy tracking in limited working space, the proposed NN controller is designed to contain a tracking error control component and a velocity error control component, aiming to converge both types of error to zero, separately. It utilizes radial basis functions to approximate a vessel’s unknown nonlinear dynamics. Therefore, there is no need of any explicit knowledge of the vessel. The online learning ability is obtained during the stability analysis using the backstepping technique and the Lyapunov theory. Theoretical results guarantee both the convergence of tracking error and velocity error and the boundedness of NN update. Through simulation and tracking performance study based on the CyberShip II model, the proposed controller is verified effective in fine trajectory tracking.     

基于逆推方法的非线性船舶航迹跟踪控制

基于包括科氏向心矩阵和非线性阻尼项的、带恒值扰动的非线性船舶水面运动数学模型,采用带积分器的逆推(Backstepping)设计工具,设计船舶航迹跟踪控制律;并借助Lyapunov函数、应用相关引理证明了所设计的船舶航迹跟踪控制律使得最终的闭环航迹跟踪控制系统一致全局渐近稳定,达到航迹跟踪控制的目的.仿真研究表明,所设计的控制律使船舶能够克服恒值扰动跟踪期望航迹,且控制量合理,从而验证了所设计控制律的有效性.     

多无人水面船分布式自适应协调跟踪控制

针对多无人水面船(Unmanned Surface Vessel, USV)协调轨迹跟踪控制问题，基于仅邻近USV可以通信的无向连通通信拓扑，提出分布式自适应协调跟踪控制。使用领航者跟随协调策略，引入虚拟领航者，考虑仅虚拟领航者已知期望轨迹和目标速度的情况，通过获取邻居的实时位置和速度信息，计算每艘USV在团队中的实时期望位置和速度，从而定义聚合跟踪误差。基于聚合跟踪误差建立轨迹跟踪误差系统数学模型，使用自适应项补偿外界环境干扰，提出分布式自适应协调跟踪控制算法。基于Lyapunov稳定性理论，论证聚合跟踪误差收敛，进而得到跟随者相对于期望位置的跟踪误差、速度误差均有界并渐进收敛到零，最后仿真验证理论结果。     

动力定位船舶全速度路径跟踪CB导引自适应闭环控制

针对仅使用槽道推进器提供横向推力的动力定位船舶路径跟踪控制问题,建立慢变环境干扰影响下的非线性船舶数学模型,设计带有自适应干扰补偿的反步控制算法来消除环境干扰的影响。引入平行目标接近(CB)导引算法为跟踪控制生成期望速度矢量信号,通过与所提出的自适应反步控制算法相结合,得到不受船舶驱动特性限制的全速度范围动力定位船舶导引跟踪控制算法,应用李雅普诺夫稳定性理论证明系统跟踪误差渐进收敛到零。仿真结果表明通过调整导引算法参数可以调节船舶跟踪过程表现,并可以得到较好的控制精度。     

欠驱动自主水下航行器的镇定及跟踪

针对仅带有轴向推力及偏航力矩的欠驱动自主水下航行器（AUV）,研究了其在水平面内的轨迹跟踪及定点调节问题。基于Lyapunov直接法及串接一反步技术,通过采用一种带有动力学震荡器的跟踪误差变换,设计了一种统一的连续时变状态反馈控制律,并给出了参数自适应更新律以估计AUV的非线性阻力参数,使得AUV的位置及方向角的跟踪误差全局渐近收敛于零点左右的一个邻域内,该区域可以为任意小,并且,AUV的跟踪性能与外界干扰的大小无关。仿真结果证明所提出的方法是有效的。     

基于ESO和动态逆的欠驱动船舶航迹跟踪控制设计

针对欠驱动船舶航迹跟踪控制问题,考虑船舶动态不确定性、未知时变外部扰动和速度不可测的情况,将输出重定义方法、扩张状态观测器(extended state observer, ESO)和动态逆控制方法相结合,设计欠驱动船舶航迹跟踪控制律。输出重定义方法用来解决系统欠驱动问题；构造ESO,估计由船舶动态不确定性、未知时变外部扰动以及船舶各自由度运动状态变量间的耦合构成的总扰动和船舶速度；基于上述,采用动态逆控制方法,设计航迹跟踪控制律,使欠驱动船舶跟踪期望航迹,并保证航迹跟踪闭环控制系统所有信号最终一致有界。以一艘欠驱动船舶为例进行仿真研究,仿真结果验证了所设计的航迹跟踪控制律的有效性和优越性。     

Tracking control of underwater vehicle subject to uncertainties using fuzzy inverse desired trajectory compensation technique

Computed-torque controller plus fuzzy inverse desired trajectory compensation technique based on robust adaptive fuzzy observer is proposed to control underwater vehicle subject to uncertainties. A fuzzy inverse desired trajectory compensator is developed as a nonlinear filter at input trajectory level outside the control loop to address the issue of unavailable normalizing factor. A robust adaptive state observer with loose constraint on the position of the uncertainty function is proposed to evaluate the unavailable states. Numerical simulation results of regulation performance demonstrate that the observer solves the problem of strict constraint conditions on position uncertainties. Comparisons of tracking performance between the proposed control method and computed-torque controller are performed. The results confirm that compensation at the input trajectory offers better position tracking performance and easier practical implementation than other fuzzy compensation techniques at joint torque level. The proposed control approach is simulated and its efficiency is validated through the simulation of an underwater vehicle.     

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。