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。     

基于双桨无人艇的转速协调控制策略研究

以双螺旋桨水面无人艇的推进控制系统为研究对象,以永磁同步电机作为推进电机,在取消常规舵的情况下,设计一种利用左右螺旋桨转速差来实现舵效的桨舵合一系统。设计转速协调控制器,通过模糊PID算法对常规PID进行补充,实现对直行情况下航向的稳定控制,最终验证了双桨推进的转速协调控制方案的可行性和有效性。     

无人艇的双桨双舵推力优化分配仿真

针对无人艇的欠驱动模型特点,建立无人艇双桨双舵系统数学模型,将舵、桨组合起来进行推力建模,以最小能耗为优化目标,对推进器系统中的舵角大小、舵角变化率和螺旋桨推力大小、推力变化率作了约束,建立非线性等式和不等式约束。采用约束条件的非线性优化命令计算方法,对无人艇系统推力分配进行仿真计算。分析结果表明,在实际无人艇航行中,该方法是可靠有效的,具有较高的实时应用能力。     

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.     

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。     

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。     

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。     

近水面低航速下潜航器深度自抗扰控制

深度控制是潜航器运动控制重要组成部分。在近水面航行时,潜航器受波浪力的扰动,二阶波浪力将使潜航器难以保持深度。同时,低航速状态下,水平舵受航速影响舵效大幅降低,本文基于自抗扰控制技术(ADRC)设计了潜航器深度控制器,通过扩张状态观测器(ESO)观测扰动并及时进行补偿。仿真与水池实验表明,相较于传统PID方法,该控制器使得潜航器具有更好的深度控制效果。     

水面无人艇的模糊建模方法研究

近年来,水面无人艇技术发展迅速,在军事侦察、武装保护等方面发挥显著作用,已成为水面反恐的重要方式之一。然而,水面无人艇航行在线性度、耦合性上存在较大的缺陷,高精度控制方式实现复杂。为实现水面无人艇航行的高精度、高准确度控制,本文将神经网络和模糊技术相结合,提出一种基于神经网络的模糊建模方法,对系统模型进行仿真可知,水面无人艇的模糊建模方法有效,且能够实现对无人艇航行的精确控制,具有进一步推广应用的潜力。     

水面无人艇自主航线偏航路径跟踪控制方法

针对当前水面无人艇自主航线偏航路径跟踪控制方法,未考虑水面无人艇在运行过程中受到的干扰,导致控制精度低和控制时间长的问题,提出水面无人艇自主航线偏航路径跟踪控制方法。构建水面无人艇的干扰模型,分析水面无人艇在运行过程中受到的海风干扰、海流干扰和海浪干扰,建立水面无人艇自主航线偏航路径跟踪控制模型,完成航线偏航路径的跟踪控制。实验结果表明,所提方法的水面无人艇自主航线偏航路径跟踪控制精度较高,能够有效缩短控制时间。     

非规则波动下直线航迹自抗扰控制数学模型设计

非规则波动,船舶直线航迹经常出现偏差,影响了船舶航行的稳定性和安全性。为此,针对传统PID控制、自适应神经网络控制2种方法控制效果差的问题,设计一种非规则波动下直线航迹自抗扰控制数学模型。该模型分为3部分:首先进行跟踪微分器设计,消除干扰因素的影响,然后利用扩张状态观测器,估计船舶运行状态,最后利用状态误差反馈,计算船舶运行误差,以此实现自抗扰控制。结果表明,与传统PID控制、自适应神经网络控制2种方法相比,利用设计的数学模型进行非规则波动下直线航迹自抗扰控制,得到的直线航迹与预期航迹之间的拟合优度更大,更接近1,由此说明自抗扰控制数学模型更能有效规范船舶直线航迹,保证了船舶航行的稳定性和安全性。     

无人艇智能航路规划系统研究

近年来,随着人工智能等高新技术的发展,无人平台的发展日新月异,以无人水面艇为代表的无人平台受到国内外专家学者越来越多的关注。其中航路规划系统是实现无人艇正常航行和体现无人艇智能化的关键技术之一。目前大多数航路规划算法适用的场景主要为无人艇的自由航行,避碰能力单一,且未充分考虑无人艇自身欠驱动型以及机动能力的限制,很难满足复杂障碍环境下智能避碰的需求。本文设计基于分层规划的航路规划方案,提出多单元模块下的无人艇航路规划策略,并基于无人艇自身特性设计对应的轨迹规划单元。最后在GIS数据上,对所设计的智能航路规划系统进行仿真验证,实验结果验证系统的有效性和实用性。     

无人艇智能航路规划系统研究

近年来,随着人工智能等高新技术的发展,无人平台的发展日新月异,以无人水面艇为代表的无人平台受到国内外专家学者越来越多的关注。其中航路规划系统是实现无人艇正常航行和体现无人艇智能化的关键技术之一。目前大多数航路规划算法适用的场景主要为无人艇的自由航行,避碰能力单一,且未充分考虑无人艇自身欠驱动型以及机动能力的限制,很难满足复杂障碍环境下智能避碰的需求。本文设计基于分层规划的航路规划方案,提出多单元模块下的无人艇航路规划策略,并基于无人艇自身特性设计对应的轨迹规划单元。最后在GIS数据上,对所设计的智能航路规划系统进行仿真验证,实验结果验证系统的有效性和实用性。     

大尺度高速水下无人艇控制系统设计与试验验证

[目的]为了在三维空间宽航速段内实现大尺度高速水下无人艇(UUV)的路径跟踪,在考虑无人艇的试验动作要求、控制精度要求及水动力特性的情况下,设计了基于模糊控制理论的自适应制导方法。[方法]基于解耦控制方法,首先将水下无人艇的航行控制分解为航速、航向、纵倾和深度控制问题;然后分别设计积分分离比例—积分—微分控制器(PID控制器),并引入指令及状态滤波器,以改善该水下无人艇动态响应特性;最后,通过湖试验证水下无人艇在不同航速下的控制性能。[结果]结果表明,在6,9,13 kn等试验航速下,水下无人艇跟随目标路径和深度的误差均在合理范围内,验证了该控制体系及控制方法的有效性。[结论]所得结果对新一代试验艇的运动控制技术研究具有一定参考价值。     

大型双桨船舶的航行自抗扰控制技术研究与仿真

大型双桨集装箱运输船是一种具有双桨和双舵操控系统的船舶,这种船舶的运输效率高,运量大,是国际领先的一种大宗商品运输船。由于双桨船舶航行过程中受风、浪的干扰作用更加明显,因此,提高双桨船舶的航行自抗扰控制技术对提高双桨船舶航行稳定性有重要作用。本文建立了双桨船舶的运动模型,提出一种双桨船自抗扰运动控制器,并对双桨船在一定干扰作用下的运动控制进行了仿真,对于提高双桨船的航行安全有重要的意义。     

网络环境下无人水面艇航向控制器设计

无人水面艇自主航行中受到外部环境干扰及在控制中心-执行器网络通道中存在网络诱导特性(如网络诱导时延、数据丢包等)的影响,会降低系统性能,影响航向控制系统的稳定性.为了能使无人艇按照设定航向快速、稳定地航行,提出一种基于网络的无人艇航向控制策略.首先,建立基于网络的无人艇航向控制系统模型.基于这个模型,运用Lyapunov稳定性理论和凸分析方法导出能使网络环境下无人水面艇航向控制系统渐进稳定的控制律,并设计基于网络的航向控制器.通过仿真验证所提出方法和设计控制器的有效性.     

网络环境下无人水面艇航向控制器设计

无人水面艇自主航行中受到外部环境干扰及在控制中心-执行器网络通道中存在网络诱导特性(如网络诱导时延、数据丢包等)的影响,会降低系统性能,影响航向控制系统的稳定性。为了能使无人艇按照设定航向快速、稳定地航行,提出一种基于网络的无人艇航向控制策略。首先,建立基于网络的无人艇航向控制系统模型。基于这个模型,运用Lyapunov稳定性理论和凸分析方法导出能使网络环境下无人水面艇航向控制系统渐进稳定的控制律,并设计基于网络的航向控制器。通过仿真验证所提出方法和设计控制器的有效性。     

无人水面艇航向航速协同控制方法

针对无人水面艇(USV)在未知干扰环境下的自主运动控制问题,研究基于模糊自适应算法的USV航向、航速协同控制方法。设计以航向角偏差量和直线距离偏差量为输入量,以及以舵角偏转控制量和油门开度控制量为输出量的模糊控制算法,并通过以航向角偏差率为输入量及以控制周期为输出量的自适应控制,使系统响应外部环境的变化。以抵达目标点的时间和舵角变化次数的加权最小值作为优化目标函数,分析论域、控制周期等参数对控制效果的影响。优化分析的结果表明:此方法在不同海面风、浪、流随机干扰的条件下,均能使无人艇抵达目标点,实现点对点的自主航行。     

专家控制-改进S面算法在近水面航行器运动控制中的应用研究

[目的]旨在提高舵板响应速度和效率,以满足近水面航行器在静水及波浪干扰下的深度保持和姿态控制要求。[方法]在S面算法的基础上,提出一种具有更快收敛速度的改进S面控制算法,并与专家智能控制相结合,建立闭环专家控制-改进S面算法的混合控制模型,构建混合算法控制器。对比分析PID算法、S面算法、改进S面算法以及专家控制-改进S面算法在近水面航行器航行深度、姿态控制间的差异,并进行波浪干扰下的运动预报。[结果]预报结果表明：改进S面算法在静水航行控制中可提高收敛速度,波浪干扰下可降低纵摇幅度;专家控制-改进S面算法能够提高舵的控制效率,在静水中快速实现航行状态稳定转换,在波浪中有效降低近水面航行器垂荡和纵摇幅值30%以上。[结论]所提专家控制-改进S面算法对近水面航行器运动稳定性的提高适用性良好。     

双推进无人艇轨迹跟踪控制系统设计

针对无人艇(USV)航行环境复杂,模型建立困难的问题,以双推进无人艇为研究对象,根据PID神经网络自学习和滑模控制对参数变化及扰动不灵敏、无需系统在线辨识的特点,提出一种由外环的轨迹控制和内环的航速艏摇角速度控制组成的双闭环轨迹跟踪控制方法。其中航速艏摇角速度控制由两个单变量PID神经网络构成,轨迹控制采用动态系统全局渐进稳定定理和滑模变结构控制理论设计轨迹跟踪的位置控制律和姿态控制律,从而实现双推进无人艇轨迹跟踪。理论分析和实船实验均表明,该轨迹跟踪控制系统能够较好地实现无人艇对参考轨迹的跟踪。