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.     

无人艇艏向自适应离散滑模控制器设计

在受外界环境影响导致无人艇运动响应模型发生不确定变化的情况下,为实现无人艇艏向有效控制,设计基于在线辨识运动模型的自适应离散滑模控制器。利用递推最小二乘法对无人艇运动响应模型进行在线辨识。依托在线辨识的模型,设计基于指数趋近律的无人艇艏向自适应离散滑模控制器。通过仿真实验和实船实验进行验证,实验结果表明:与常规的模型参数固定的离散滑模控制方法相比,设计的控制器具有较好的鲁棒性和自适应性。     

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。     

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。     

基于多策略免疫遗传算法的无人艇航向自适应控制

针对无人艇在真实水面环境下的航向跟踪控制问题，提出一种基于多策略融合改进免疫遗传算法（MSFIGA）的无人艇航向自适应控制方法。首先，建立无人艇的二阶非线性运动模型和环境风浪流干扰模型。其次，提出一种基于多策略融合改进的免疫遗传算法，通过引入混沌初始化、向量角相似度及自适应差分接种等策略，改善基本算法收敛缓慢、易陷入局部最优的缺点；在此基础上，设计基于MSFIGA的无人艇航向自适应控制器及性能评价函数，以实现对无人艇控制参数的自适应优化。最后，通过对比仿真试验和在线仿真试验验证该方法的优越性和实用性。     

考虑系统延时的无人船路径跟踪控制

针对无人船因控制系统延时而导致的路径跟踪性能退化,提出计及系统延时的路径跟踪控制策略,并设计了基于模型预测控制算法的双层路径跟踪控制器。基于线性模型预测控制算法,设计了USV运动学控制器,以此减小无人船路径跟踪偏差并得到期望速度。将系统延时处理为一阶系统,并将其和无人船的动力学模型耦合。基于非线性模型预测控制,设计了USV动力学控制器,用于响应无人船的期望速度。数值仿真结果表明,在存在系统延时的仿真环境中,论文提出的针对控制系统延时的处理策略可减小无人船的路径跟踪偏差和改善控制形态输入的平顺性。     

基于IDLOS的水面无人艇路径跟踪控制技术研究

操纵性约束和外界干扰导致水面无人艇难以精确、稳定跟踪期望轨迹。论文通过改进视线法得到带积分和微分项的制导律的控制器,同时加入预转向控制、速度优化控制,与视线制导相比显得更加合理。针对河海大学自主研制的DW-uBoat水面无人艇,设计了轨迹跟踪控制器并进行仿真试验。试验结果表明,基于改进视线法的控制器和PID的轨迹跟踪控制器与视线法相比,在控制误差、稳定性和抗干扰性等方面性能均有提升,能快速收敛到目标轨迹。     

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...     

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。     

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。     

水面无人艇环形轨迹跟踪方法研究与实现

为提高无人航行器对轨迹的实航跟踪能力,结合航行器运动特性,提出势点跟踪算法,实现对典型航迹(环形轨迹)的稳定跟踪。以无人水面艇(Unmanned Surface Vehicle, USV)作为验证平台,基于拟合偏差的最小二乘航向辨识,获得系统数学模型,并设计相应的控制律,在搭建好仿真平台后,针对无人水面艇控制特性设计相关控制策略及制导律,完成势点跟踪算法的设计及仿真验证。后经典型海况下多航次试验,经过对实航轨迹及USV与环形轨迹间距离变化规律分析,并结合数据均方根大小,表明了环形轨迹跟踪方法设计的合理性。     

面向水下搜救的自主水下航行器路径跟踪控制

对自主水下航行器（AUV）在执行水下搜救任务过程中遇到的三维路径跟踪控制和定点驻停问题进行研究。在固定坐标系和机体坐标系下建立AUV的运动学模型，引入流体坐标系，设计适宜进行运动控制的三维路径跟踪控制器，并在Serret-Frenet坐标系下建立AUV的路径跟踪误差模型；基于三维视距制导律控制设计AUV的三维路径跟踪控制器，在此基础上提出一种适于水下搜救工况的AUV路径跟踪控制方法，使AUV能完成对参数化路径的跟踪和在预设目标点的驻停；同时，基于李雅普诺夫稳定性原理证明该控制器的稳定性。仿真试验结果表明，设计的控制器有效，能实现对面向水下搜救的AUV路径跟踪控制。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于集合制导和动态窗口约束的无人船自主动态避碰方法研究

针对无人船在未知海洋环境下的避碰问题,提出了一种基于集合制导和动态窗口约束的无人船自主动态避碰方法。为了使无人船能够在沿预先规划路径航行的同时规避障碍物,采用了一种基于集合制导算法的无人船航行模式切换策略。当满足一定条件时,该策略能够使无人船在路径跟随模式和避碰模式之间进行切换,以实现航迹跟踪控制与避碰路径规划相结合;同时考虑到船舶自身的操纵性能,设计了一种基于动态窗口约束的反应式避碰方法。仿真试验表明,在满足国际海上避碰规则的前提下,该方法能够使无人船在沿预设路径航行的同时,有效地规避障碍物。     

基于模糊避障的无人艇控制系统的实现

自动避障是无人艇智能完成水面作业任务的一项能力。采用超声波测距传感器探测无人艇周围环境中的障碍物距离参数,GPS定位无人艇的当前位置,罗盘判断无人艇的偏航角,幵将这些作为模糊控制器的输入参数,提出一种基于模糊控制的实时避障算法,设计实现无人艇自主避障的功能。该算法通过MATLAB仿真,验证了模糊控制算法的有效性和可行性。