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。     

基于非线性模型预测控制的无人船航迹跟踪控制方法

为了实现复杂场景下无人船（USV）的实时、高精度、抗干扰运动控制,以欠驱动双推进差速无人船作为研究对象,基于三自由度无人船水动力模型设计非线性模型预测航迹跟踪控制器（NMPC）,在考虑控制约束与状态约束的情况下,根据快速稳定航行的目标设计优化范式,引入多重打靶算法求解思想提升控制器求解速度;根据无人船航行时风、浪、流等环境干扰的特点,设计一种适用于复杂场景无人船控制的非线性干扰观测器（NDO）,根据干扰观测结果对控制模型进行在线补偿,并通过仿真试验,验证了所提控制算法的精确性、实时性和抗干扰能力。     

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。     

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MPC-DO的自主水下航行器轨迹跟踪控制

针对欠驱动自主水下航行器在速度约束和未知外界环境干扰下的轨迹跟踪问题,提出一种基于模型预测控制算法和干扰观测器的复合控制方案。首先,基于模型预测控制算法设计一种考虑速度极限约束以及速度增量约束的轨迹跟踪运动学控制器。其次,针对海洋作业环境下存在的外界干扰,设计干扰观测器对其进行实时估计,并基于所设计的干扰观测器,设计精确跟踪期望速度的动力学控制器,并对控制方案进行了严格的理论分析。最后,进行数值仿真,仿真结果证实了该控制方案的有效性。     

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...     

吊舱推进的小型水面无人船航迹控制系统设计

为解决适应内河通航环境的小型水面无人船(USV)航迹控制的快速性和鲁棒性问题,以小型水面无人船为研究对象,设计一种基于吊舱推进的USV航迹控制系统,该航迹控制系统由航迹控制器、航向控制器、转向操作机构、电罗经、D-GPS,以及角度检测传感器组成。其中航迹控制采用改进的LOS(Line of Sight)导航算法;航向控制器由两级模糊控制器构成,可同时满足大角度转向控制和小角度航向保持的性能要求。仿真和实船试验结果皆表明,该控制系统能够满足内河复杂通航条件下USV对航迹控制的要求。     

基于显式模型预测控制的无人船航迹控制方法研究

针对模型预测控制在线计算量大,难以满足无人船实际航行中的实时性要求的问题,提出了一种基于显式模型预测控制的航迹控制方法。首先利用视线制导算法（line of sight, LOS）,根据无人船当前位置和期望航迹信息,设计了无人船艏摇角的参考值,将无人船航迹控制简化为艏向控制;其次,将显式模型预测控制算法应用于无人船艏向控制问题中,该算法既保持了模型预测控制方法的优势,又提高了计算速度;最后通过仿真试验验证了所提出的方法可以显著提高无人船航迹控制的实时性。     

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。     

基于LOS导航算法的无人船路径跟踪控制

为了解决无人船路径跟踪控制问题,提出基于视距导航算法（LOS导航算法）和模糊PID控制的自适应无人船路径跟踪控制方法。首先根据LOS算法将路径跟踪问题转化为航向控制问题,之后通过模糊PID控制算法进行无人船的航向控制。通过仿真表明所提出的算法路径跟踪精度高,横向偏移量小,跟踪路径平滑,对无人船的路径跟踪控制有一定的参考价值。     

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。     

欠驱动船舶鲁棒路径跟踪控制器设计

针对欠驱动船舶直线路径跟踪控制系统中存在的外界干扰影响,提出一种鲁棒跟踪控制算法.该控制算法基于重定义输出、解析模型预测控制、高增益观测器等技术,使得欠驱动船舶能够渐近镇定于给定的直线参考路径.计算机仿真实验验证了算法的有效性.所提出的控制器具有良好的控制效果以及对外界干扰的鲁棒性.     

一种无人艇路径跟踪控制器的设计与验证

针对无人艇的路径跟踪控制问题,基于内模控制和L1制导算法设计并实现无人艇路径跟踪控制器。通过对状态空间型船舶线性数学模型进行在线参数辨识,实现对无人艇操纵响应模型参数的在线估计;基于内模控制和无人艇操纵响应模型,设计并实现无人艇的艏摇角速度控制器;采用L1制导算法设计并实现无人艇的路径跟踪控制器。实船试验结果表明,该路径跟踪控制器能较好地实现无人艇对参考路径的跟踪。     

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。     

基于物联网技术的无人船智能航行控制系统设计与实现

随着智能时代的来临,船舶的智能化、无人化逐渐成为工业界和学术界的关注重点,无人船(Unmanned Surface Vessel,USV)也随之应运而生。基于物联网技术,设计并实现了无人船智能航行控制的演示验证系统,该系统以STM32为主控核心;采用窄带物联网NB-Io T技术和AIS构建船-岸通信链路;采用多种传感器实现船舶自身和环境信息的智能感知;提出一种基于响应式禁忌搜索的PID参数自适应整定航迹控制算法,实现无人船的路径跟随功能;基于Android平台开发岸基支持中心显控软件,实现无人船远程操控、监测和数据共享功能。最后通过真实环境试验验证了系统设计的可行性和航迹控制算法的有效性。     

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。     

考虑运动模式的无人船航迹实时跟踪控制算法

因无人船航迹数据数量级较大,导致现有航迹跟踪算法的跟踪控制误差较大,难以满足现今航运业的需求。故设计了考虑运动模式的无人船航迹实时跟踪控制算法。首先定义无人船运动模式,并根据运动模式相关定义构建无人船航迹描述模型。以此为基础,依据运动模式将无人船轨迹划分为3个集合,提取相应运动模式下的轨迹特征属性,然后计算无人船航迹与期望航迹之间误差,再利用滑模控制器进行误差补偿,实现了无人船航迹的实时跟踪控制。实验结果显示:与现有算法相比较,本文算法横向位置误差降低了1.04 m,航向角误差降低了8.29°,舵角误差降低了8.86°,充分说明本文算法的控制性能更佳。     

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。     

水面无人艇自主跟踪系统设计

基于国内的研究主要集中在单艇作业的系统设计及控制算法上,为了使无人艇能够实现自主跟踪领航船,与领航船实现多艇协同作业的功能,从系统体系构架、控制流程等方面分别对控制系统进行设计。试验结果显示:设计的跟踪系统能够实现自主跟踪的功能。     

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。