多领航者导引无人船集群的分布式时变队形控制

[目的]针对含有模型高度不确定性和未知海洋环境扰动的无人船集群,研究多领航者导引的欠驱动无人船(USV)集群的分布式时变队形控制问题。[方法]首先,在运动学层级,基于包含策略和路径操纵原理,设计时变队形分布式制导律;然后,在动力学层级,针对USV航行中存在的模型不确定性以及未知海洋环境扰动,设计基于扩张状态观测器(ESO)的前向速度和艏摇角速度控制律,减小模型不确定性和未知海洋环境扰动带来的影响;最后,进行级联系统稳定性分析和控制器有效性的仿真验证。[结果]研究表明,无人船集群采用的分布式时变编队闭环控制系统输入状态稳定,仿真结果证明了控制方法的有效性。[结论]所提出的控制器可以使无人船集群形成预定的时变编队队形,并跟踪多领航者形成的凸包。     

未知扰动下的无人艇编队优化轨迹跟踪控制

[目的]针对水面无人艇（USV）编队轨迹跟踪中存在的未知扰动和队形变化问题,提出一种基于有限时间扰动观测器的最优反步控制（FDO-OBC）方法。[方法]首先,基于虚拟结构法,建立无人艇编队控制框架,并设计运动学和动力学编队控制器;其次,设计有限时间扰动观测器,实时估计补偿未知环境扰动;然后,针对编队队形变化的轨迹跟踪问题,提出基于最优反步控制的动态轨迹优化策略,利用扰动观测器信息来计算最优控制输入,实现无人艇编队轨迹跟踪的动态优化;最后,采用李雅普诺夫稳定性理论证明该编队控制方法的稳定性。[结果]仿真对比结果表明,FDO-OBC策略可有效提高无人艇编队系统的精确性和鲁棒性。[结论]对于面向扰动环境下的无人艇编队控制系统设计,FDO-OBC方法提供了一种新的技术手段。     

水面无人艇领航—跟随固定时间编队控制

[目的]为解决复杂扰动下的领航—跟随水面无人艇(USV)编队控制问题,提出一种固定时间控制(FTC)方法。[方法]针对跟踪控制子系统,设计一种基于积分滑模的固定时间跟踪控制(IMS-FTC)策略;针对编队控制子系统,设计一种基于有限时间扰动观测器的固定时间编队控制(FDO-FFC)策略;基于Lyapunov稳定性理论证明所设计的编队控制方法的整体稳定性。[结果]采用经典CyberShip II试验模型进行仿真研究,结果显示所设计的控制方案能够有效提高领航—跟随USV编队系统的精确性和鲁棒性。[结论]研究成果可为无人艇编队控制系统设计提供先进的技术手段。     

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。     

基于改进RRT算法的无人艇编队路径规划技术

[目的]为了解决无人艇编队在智能航行时全局路径规划与局部自主避碰问题,提出基于改进快速搜索随机树(RRT)算法的无人艇编队路径规划技术。[方法]针对无人艇编队形状稳定问题,在RRT算法扩展环节提出一种非严格保形修正向量与非严格保形控制圆区域,使搜索树有朝着严格保形坐标点生长的趋势;针对突发障碍物与非严格保形规划点碰撞问题,在RRT算法碰撞检测环节提出可调节避碰圆区域与障碍物修正向量,使无人艇安全避碰并最大程度地保持队形稳定。[结果]结果显示,无人艇编队在该算法作用下表现出了良好的保形性能,并能对突发障碍物进行有效的避碰。[结论]该算法效能高、稳定性强、路径规划质量高,在实际工程应用中具有重要的意义。     

基于事件触发的船舶编队有限时间控制

为改善船舶编队的时效性，针对船舶编队在海上作业时存在频繁的不必要的通信消耗问题，提出一种基于事件触发机制的有限时间控制策略。设计一个编队扩张状态观测器观测船舶动态信息并补偿船舶模型中的不确定性及外界干扰；针对自身的船舶编队系统定义一个由广义误差变量组成的固定阈值触发函数，将事件触发函数与非线性终端滑模控制器相结合，大大降低了编队控制律的更新频率；利用Lyapunov有限时间理论验证整个编队系统的有限时间稳定性，并证明控制器不存在Zeno行为。仿真结果显示，设计的编队控制器能在5s左右达到预期队形。与连续时间编队控制器相比，设计的编队控制器在保证编队队形的基础上大大降低了触发次数，从而节约了编队系统的通信资源。     

水面无人艇集群系统研究

  目的  为解决复杂扰动下的领航—跟随水面无人艇（USV）编队控制问题,提出一种固定时间控制（FTC）方法。  方法  针对跟踪控制子系统,设计一种基于积分滑模的固定时间跟踪控制（IMS-FTC）策略;针对编队控制子系统,设计一种基于有限时间扰动观测器的固定时间编队控制（FDO-FFC）策略;基于 Lyapunov稳定性理论证明所设计的编队控制方法的整体稳定性。  结果  采用经典CyberShip II试验模型进行仿真研究,结果显示所设计的控制方案能够有效提高领航—跟随USV编队系统的精确性和鲁棒性。  结论  研究成果可为无人艇编队控制系统设计提供先进的技术手段。     

基于改进Bi-RRT的无人水面艇自动避碰算法

[目的]提出一种实现无人水面艇(USV)在高速航行时自动规避障碍物的方法。[方法]将双向搜索树(Bi-RRT)算法与速度障碍法相结合,得到基于改进Bi-RRT的无人水面艇自动避碰算法。针对Bi-RRT算法扩展操作中父节点延伸方向位于锥形碰撞区内的情况,提出避碰危险度系数与障碍物排斥向量,使父节点延伸方向有远离障碍物中心的趋势。同时,针对算法实时性问题,提出两棵搜索树并行延伸扩展的方式,以及当父节点延伸方向位于锥形碰撞区外时触发的目标吸引向量,以加速算法收敛。[结果]结果显示,采用上述改进方法设计的算法搜索树延伸失败次数降低,规划的避碰路径短且更加平滑。[结论]该改进Bi-RRT算法实时性强、路径规划质量高,对实际工程应用有重要意义。     

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...     

未知扰动下的欠驱动水面无人艇区域保持控制方法

尽管水面无人艇（USV）已经应用于许多场景，但无人艇水面区域保持仍是一个极具研究意义的问题。主要原因是USV具有复杂的非线性水动力学和欠驱动特性。在实际应用中，由于不确定的环境扰动及传感器测量噪声，很难对USV产生较好的控制效果。文章建立了一个适用于USV区域保持的简化数学模型，并提出一个闭环控制方法，既简化控制器设计又能达到满意的控制性能。针对欠驱动USV的区域保持问题，提出基于环境最优位置控制（WOPC）改进后的策略，采用策略估计扰动的方向，生成考虑欠驱动特性的控制目标。试验结果表明，所提出的方法相较传统WOPC在不同环境扰动下取得了较好的效果，并能减少能耗。     

水面无人艇动态避碰策略研究

针对水面无人艇局部路径规划的局限性,本文提出基于水面无人艇操纵运动模型的动态智能避碰,根据海事规则将局面划分为对遇、交叉相遇以及追越3种局面,在MMG模型基础上,通过避碰模型改变USV的航速和航向,完成USV对动态障碍物的智能避碰。通过实验仿真表明,该方法有效地完成USV对动态障碍物的危险避碰,符合USV实际航行避碰操纵要求。     

水面无人艇动态避碰策略研究

针对水面无人艇局部路径规划的局限性,本文提出基于水面无人艇操纵运动模型的动态智能避碰,根据海事规则将局面划分为对遇、交叉相遇以及追越3种局面,在MMG模型基础上,通过避碰模型改变USV的航速和航向,完成USV对动态障碍物的智能避碰.通过实验仿真表明,该方法有效地完成USV对动态障碍物的危险避碰,符合USV实际航行避碰操纵要求.     

基于FTO的船舶分布式编队的有限时间控制方法

[目的]由于速度测量值不可直接使用,因此针对有界环境干扰下的船舶编队控制问题,提出一种基于有限时间观测器(FTO)分布式编队的有限时间控制方法。[方法]首先,仅根据船舶的位置信息,设计一种FTO以观测其速度状态;然后,在领航信息仅局部已知的通信结构下,利用观测值和齐次法设计多船分布式编队的有限时间控制律,实现多艘船舶在有限时间内跟踪期望航迹并同时保持期望队形;最后,根据齐次性理论和李雅普诺夫稳定性判据,证明整个闭环系统的误差信号在有限时间内收敛。[结果]仿真结果验证了所提出的有限时间编队控制方法相比于传统渐近收敛的编队控制方法,可以为多船编队提供更快的收敛速度、更高的控制精度以及更强的抗干扰能力。[结论]研究结果可为多船编队的控制提供借鉴。     

Robust adaptive course-keeping control of under-actuated ships with the rudder failure北大核心CSCD

[目的]针对舵机故障、控制增益未知和海洋环境干扰情况下的欠驱动船舶航向保持问题,设计一种考虑舵机故障的船舶鲁棒自适应航向保持控制算法。[方法]通过结合鲁棒神经阻尼技术和自适应方法,对繁重的神经网络权值进行横向压缩,仅需设计2个自适应学习参数对未知增益和舵机故障参数在线补偿,以确保船舶在舵机故障的情况下能够有效执行航向保持任务。通过李雅普诺夫理论,证明所提出的控制器半全局最终一致稳定有界(semi-global uniform and ultimately bounded,SGUUB)。最后以“育鲲”轮为仿真对象,建立非线性Nomoto数学模型,在海洋干扰下进行对比仿真试验验证。[结果]结果表明,在此策略下,“育鲲”轮在舵机故障情况下平均舵角输出比仿真试验中所对比的传统方法降低了51%,可改善航向保持控制效果。[结论]研究结果可为欠驱动船舶的航向保持控制问题提供借鉴。     

带有状态/输入量化的无人艇航向跟踪控制

[目的]针对水面无人艇（USV）的海上通信受限的问题,提出一种带有状态/输入量化的USV航向跟踪控制方法。[方法]基于反步法设计系统控制律,结合动态面技术降低虚拟控制律的计算量膨胀问题。对于控制系统中存在的不确定项及外界干扰,利用扩张状态观测器（ESO）进行估计。采用均匀量化器分别对控制系统中的状态变量和控制输入进行量化,且量化后的状态反馈信息仅用于跟踪控制。利用量化状态递归设计基于ESO的USV航向控制器,证明闭环控制系统中量化变量和非量化变量间误差的有界性。[结果]基于李雅普诺夫稳定性理论,提出了量化误差考量及闭环系统稳定性判定方法,严格证明了所设计的带有状态量化和输入量化的USV航向跟踪控制系统的稳定性,仿真实验验证了该控制策略的有效性。[结论]结果表明,所提方法可为USV航向跟踪控制提供借鉴。     

多AUV队形控制的新方法

基于机器人队形控制中的领航者-跟随者方法(Leader-Follower Method)和基于行为方法(Behaviorbased Method),提出了一种用于多自治水下机器人(AUV)队形控制的新方法.该方法以领航者来确定整个AUV编队的前进状态,跟随者时刻跟随领航者以保持一定的队形形状.同时,领航者和跟随者都被赋予一定的行为特性以实现奔向目标、队形维持、队形转换及障碍避碰等功能.考虑到领航者在行进过程中有可能会发生意外而导致任务失败,本方法设定一特殊的跟随者令其作为候选领航者时刻跟随领航者以防万一.分别采用模糊规划器和Line of Sight(LOS)技术来实现AUV编队的障碍避碰和导航.     

无人艇工程控制课程实践教学平台开发

针对在教学环节中存在的问题，利用计算机技术和工业软件开发无人艇工程控制课程实践教学平台。该平台可进行无人水面艇（Unmanned Surface Vessel，USV）建模及运动轨迹控制。针对USV物理参数的不确定性，根据运动学和动力学模型设计控制器，分析控制器参数对USV运动性能的影响规律。无人艇工程控制课程实践教学平台的建设应用可提升学生对USV的运动操控、故障判断及维护保养能力。     

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。     

水面无人艇领航—跟随固定时间编队控制

  目的  为解决海上无人集群在有向通信拓扑条件下的编队控制问题,对无人艇（USV）和无人机（UAV）集群编队跟踪控制问题进行研究。  方法  采用内/外环分层编队控制结构进行系统建模,利用离散时间系统对海上无人集群编队控制问题进行描述,以提高编队控制方法对异构集群的兼容性和实用性。基于虚拟领航者思想,采用基于邻居位置和速度误差反馈的分布式编队控制协议,给出海上无人集群能够实现期望构型和航迹跟踪的充要条件。  结果  仿真结果表明,当通信拓扑存在有向生成树,且在控制协议参数和控制器更新周期满足给定约束条件的情况下,海上无人集群能够实现稳定的编队控制。  结论  所提方法能够适用于海上无人集群在有向通信拓扑条件下的编队控制,具有一定的应用价值。     

改进粒子群算法在USV航向稳定性控制中的研究

水面无人艇(USV)在军事侦查、海洋环境探测和执行特殊作战任务等方面有重要应用,近年来引起了世界各国的普遍重视。水面无人舰艇是一个不确定性系统,在实际工况下易受海浪、海流等外部环境因素的干扰,因此,USV的航向稳定性控制一直以来是研究的重点和难点。本文基于改进粒子群控制算法,同时结合PID自适应控制技术,设计和开发了USV的航向稳定性控制系统。