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。     

欠驱动水面无人艇轨迹跟踪的反步滑模控制

为解决欠驱动水面舰艇（USV）在模型不确定性、强耦合特性和控制器输入饱和情况下的轨迹跟踪问题,提出基于输入饱和的USV预定义时间跟踪控制方法。

针对USV模型具有非零对角项和强耦合特性问题,引入坐标变换,将系统模型转变为斜对角形式; 将预定义时间性能函数与障碍Lyapunov函数（BLF）结合,保证瞬态和稳态的跟踪性能;利用自组织神经网络（SSNN）降低未知外部环境扰动和复杂的连续未知非线性项以及输入饱和产生的影响,以保证控制系统的跟踪精度,并且在线调整优化SSNN的神经元数目,减少控制系统的计算负担。

基于Lyapunov稳定性理论,证明了闭环系统在预定义时间内是有界稳定的,跟踪误差始终保持在约束范围内。

仿真结果表明,所提控制策略是有效的,其具有良好的跟踪性能。

     

基于DSC的欠驱动船舶路径跟踪神经滑模控制

为进一步提高船舶路径跟踪的准确性和稳定性,针对欠驱动船舶易受外界环境的干扰和模型不确定等问题,提出一种基于动态面技术的神经网络滑模控制策略。在虚拟船逻辑制导算法的基础上,结合反步法对虚拟控制律进行设计,引入动态面技术对虚拟控制律的导数进行估计,避免因直接求导而增加计算负担。在动力学回路设计中,将径向基神经网络与滑模控制相结合,设计神经网络权重的自适应律,实现对系统非线性项的在线估计和对实际控制律的设计。采用Lyapunov直接法证明闭环系统的稳定性,并对一艘长为32m的单体船进行仿真试验。结果表明,该控制策略可行,能实现对欠驱动船舶路径的有效跟踪。     

欠驱动船舶路径跟踪的神经滑模控制

为实现欠驱动船舶在存在风浪流外界干扰和参数摄动条件下的路径跟踪控制,提出一种基于可视距离的神经滑模路径跟踪鲁棒控制器。利用可视距离思想,根据期望路径与当前位置信息,分别设计船舶纵向速度和艏摇角的参考值,并视为镇定位置误差的虚拟控制律,将路径跟踪问题转化为纵向速度和艏摇角的镇定问题;结合神经网络和滑模方法,设计一种新的神经滑模鲁棒控制器,实现了对虚拟控制律的跟踪控制,无需确定参数摄动和外界干扰的上界,避免了控制器容易出现的饱和问题和抖振现象。仿真试验表明,设计的控制器对欠驱动船舶的模型摄动和外界干扰变化不敏感,可以实现路径的理想跟踪。     

面向回收任务的无人艇自适应级联跟踪控制

[目的]针对当前艉滑道式回收技术中的高精度回收引导控制要求,提出一种面向艉滑道回收的无人艇（USV）自适应级联跟踪控制方法。[方法]建立欠驱动无人艇运动模型,基于艉滑道式回收技术要求,利用滤波算法实现对母船航行状态和回收位姿的预测;引入平行接近制导思想,结合滑模变结构控制理论,构建出稳定的级联控制系统,以解决无人艇回收过程中的跟踪控制问题。[结果]通过采用李雅普诺夫理论和级联定理分析系统的稳定性,证明无人艇能够稳定跟踪目标。[结论]仿真结果表明,所提控制方法可使无人艇具有稳定的跟踪性能,且对不确定性干扰表现出较强的鲁棒性。     

欠驱动水面船舶滑模控制研究

针对二自由度船舶运动非线性系统的镇定控制问题,根据滑模控制对系统的外界干扰具有鲁棒性的特点,提出了稳定滑模控制算法,该方法首先从船舶运动系统中的各个子系统任取出一个变量,组合成一个中间变量;之后以中间变量为出发点构造系统的滑模函数,从滑模控制器设计的角度来求取控制率,保证中间量在有限时间内可以收敛到平衡点,从而保证系统状态收敛到收敛域内,进而保证镇定控制问题的稳定性,仿真结果表明了该控制算法的有效性。     

基于模糊自适应滑模方法的AUV轨迹跟踪控制

针对水下航行环境中自治水下机器人(Autonomous Underwater Vehicles,AUV)航迹精确跟踪问题,提出一种基于模糊自适应滑模方法的AUV航迹跟踪控制算法。在建立AUV系统动力学模型基础上,将其运动通过变结构滑模控制律结合模糊逼近设计出AUV航迹跟踪控制系统,采用模糊系统实现模型未知干扰的自适应逼近,基于Lyapunov稳定性理论,讨论了闭环系统的稳定性。在考虑加入外界干扰的条件下使用Matlab/Simulink软件,进行数值仿真,模拟轨迹跟踪能够达到稳定并且较平滑连续跟踪预定航迹,对干扰有较好的抑制作用。仿真结果表明了所提控制方法的有效性。     

欠驱动无人艇的全局时变反馈镇定控制

欠驱动水面船舶的镇定控制大多采用切换控制的方法,对该问题的研究普遍存在需要角速度持续激励的问题,时变控制可以有效解决该问题,但时变系统存在构造李雅普洛夫函数的困难,为此提出了一种时变状态变换,并基于反步法构造了该系统的李雅普洛夫函数,从而设计了一种全局时变反馈镇定控制器,取消了对初始条件角速度不能为零的约束。仿真结果验证了所提出方法的有效性。     

船舶航迹跟踪的滑模控制

为了解决船舶路径跟踪中的非线性问题,在建立船舶非线性模型的基础上,采用指数趋近律,设计了船舶轨迹跟踪的滑模控制器,分别进行了动态直线跟踪和环形跟踪仿真试验,仿真结果表明,船舶动态轨迹跟踪性能良好,能精确保持航迹。     

欠驱动船舶水面的非线性数学模型及跟踪控制

以欠驱动船舶水面的跟踪控制为研究对象,介绍船舶的数学模型和运动方程建模,以及船舶在水平面上3个自由度的运动方程,并且对船舶可能受到的风、浪、流等干扰进行分析。最后,提出一种自抗扰船舶航向控制方法,在该方法中,运用遗传算法对控制参数进行优化处理。实验结果表明,该自抗扰控制方法具有较高的抗干扰能力和较强的鲁棒性。     

基于自适应反步法的欠驱动UUV空间路径点跟踪控制

解决了一类欠驱动UUV系统在空间6自由度运动中的路径点跟踪控制问题。首先采用拉格朗日方程的形式,建立UUV的6自由度运动学模型和动力学模型,并基于Line-of-sight法建立欠驱动UUV的路径点跟踪误差模型;然后提出了基于反步法设计满足动力学限制的综合控制器,设计自适应律以抵消海流的干扰,并基于Lyapunov理论证明了所设计控制器的稳定性;最后仿真结果验证了该控制器的有效性,实现了欠驱动UUV三维空间的路径点跟踪控制。     

基于轨迹线性化控制方法的全驱动自主式水下航行器轨迹跟踪控制

  目的  针对欠驱动水面船舶在轨迹跟踪控制中存在的动态不确定和未知扰动问题,设计一种自适应神经网络有限时间轨迹跟踪控制方案。  方法  利用运动学虚拟控制律变换和有界限制的方法进行欠驱动变化。在Backstepping的框架下,利用神经网络重构未知动态,并设计自适应律逼近未知扰动的上界。通过Lyapunov直接法提供严格的理论分析,以证明闭环系统所有信号都是有界的,并使跟踪误差收敛至有界的区间。  结果  仿真结果表明,所提控制方案能够使欠驱动船舶在有限的时间内跟踪上期望的轨迹,且相比传统控制方案,系统误差的收敛速度更快,误差的上、下界也更小,在面对外界未知的时变干扰时还具有良好的鲁棒性。  结论  所做研究可为船舶的轨迹跟踪控制提供有效参考,具有实际的工程意义。     

带扰动观测器的船舶轨迹跟踪自适应动态面滑模控制

针对遭受未知外部环境扰动的三自由度全驱动船舶轨迹跟踪控制问题,设计一种带扰动观测器的自适应动态面滑模控制方法。该方法构造扰动观测器估计未知扰动,并对控制量进行前馈补偿,采用σ修正泄漏项的自适应律估计扰动观测误差的界以提高控制精度,结合动态面技术解决传统反演法的微分爆炸问题,并选取李雅普诺夫函数证明该控制器可保证闭环系统内所有信号的一致最终有界性。基于一艘供给船舶进行仿真试验,结果表明,所设计的控制器输出合理有效且跟踪精度高,在工程实际中具有一定的参考价值。     

基于反步滑模控制的欠驱动AUV定深运动研究

欠驱动自主水下航行器(autonomous underwater vehicle,AUV)深度控制是完成水下作业任务的重要基础,为了在复杂海况中抑制外界产生的干扰,更稳定地实现欠驱动AUV垂直面上的定深运动控制,设计基于虚拟控制律和反步法结合的滑模控制器(sliding mode controller,SMC)。首先,引入固定坐标系和运动坐标系之间的坐标转换,建立垂直面运动误差模型,将深度误差的镇定转换为纵倾角和纵倾角速度误差的镇定;然后利用李雅普诺夫（Lyapunov）稳定性理论证明控制器的稳定性。最后,仿真结果和海试表明,本文设计的控制器能够有效完成给定深度的运动控制,且对外界干扰有一定的鲁棒性。     

欠驱动不对称水面船舶输出反馈镇定控制

研究了一类欠驱动不对称船舶的全局一致渐近输出反馈镇定控制问题。该船舶横向上未装备驱动装置,加速度带有不可积的非完整约束条件,并且惯性参数矩阵和阻尼参数矩阵中的非对角线元素允许存在非零项。由于欠驱动船舶的速度和角速度不易测量,设计了高增益观测器估计速度状态变量。通过对系统进行坐标变换,并结合高增益观测器,根据分离原则设计了欠驱动不对称船舶的全局时变光滑输出反馈镇定律,仿真结果验证了所提方法的有效性。     

带扰动观测器的欠驱动水面无人船轨迹跟踪控制

为实现三自由度欠驱动水面无人船在未知外界扰动下的轨迹跟踪,本文设计一种带扰动观测器的反步法轨迹跟踪控制器。首先,构造扰动观测器估计未知扰动,对纵荡以及首摇2个自由度方向上的控制量进行前馈补偿。然后,为增强系统抗扰动能力并加快误差收敛速度,将水面无人船位置误差的积分项引入控制系统,分别在运动学和动力学回路中构造虚拟控制律镇定跟踪误差,过程中结合神经动态模型技术,解决了传统反步法的微分爆炸问题,同时有效避免了控制过程中的控制不连续问题。最后,仿真实验验证了所设计控制器的有效性。     

欠驱动船舶路径跟踪的非线性模型预测控制

文章针对欠驱动船舶的路径跟踪提出了一种解析解模型预测控制方法,使其能够驶入预先规划好的航行路径。采用了Serret-Frenet坐标系来描述船舶运动,并且引入了重定义输出,由此避免了模型预测控制中的病态相关度问题,同时将原单输入多输出系统转化为单输入单输出系统。文中的算法提供了一种获得合适的控制参数的系统方法,保证了闭环系统的稳定性。数值仿真结果验证了该控制器的有效性。