多无人艇集群协同控制研究进展与未来趋势

当前,海洋航行器呈现智能化、网络化、集群化等重要发展趋势,多无人艇通过协同实现集群化作业,是未来海洋作业的主要形式之一.从无人艇运动数学模型出发,分析了多无人艇集群控制所面临的问题和挑战,根据多无人艇运动不同的场景,从轨迹导引、路径导引、目标导引3个方面综述了多无人艇集群协同控制的研究进展.最后,对多无人艇协同控制的研...     

多无人机协同编队飞行控制研究现状及发展

  目的  针对无人船编队队形重构中的目标分配问题,提出一种队形重构目标分配方法。  方法  首先,在目标点固定的情况下,通过各无人船的当前位置,生成基于距离的收益函数。其次,以拍卖理论为基础,根据无人船队形重构中目标分配的快速性要求,针对传统拍卖算法在重构分配中可能存在的无可行解问题,提出基于最大迭代次数的拍卖终止机制,分散部分计算量,从而缩短分配时间。  结果  仿真结果表明,与匈牙利法相比,所提方法针对大规模无人船集群队形重构能够快速给出目标任务分配方案。  结论  所提方法能为无人船集群队形重构中目标分配问题以及无人船自主决策研究提供一定的参考。     

水面无人艇编队雷达电磁环境预测方法

水面无人艇编队自主式协同联合作战是未来海军作战的主流趋势和新型样式。无人艇编队中用于电子战、通信、导航、警戒、态势感知的传感器种类和数量急剧增多,射频集成度也越来越高,迫使水面无人艇雷达电磁环境与单艘艇相比复杂度更高。本文提出一种水面无人艇雷达电磁环境新型预测方法,构建雷达电磁环境综合场强及其功率密度、主波束辐照叠加空间的数学模型,并设计开发了水面无人艇雷达电磁环境综合场预测计算程序。研究结果表明,水面无人艇编队雷达电磁环境综合场功率密度随着天线辐射功率、增益、无人艇数量的增加而增大,随着艇间距的增大而减小。     

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。     

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。     

海上无人艇编队抗同频干扰技术研究

海上无人艇编队组网航行时,会在多部雷达之间出现同频干扰现象,对无人艇的自主航行和近程避碰造成严重影响,为此需要对同频干扰进行抑制。论文分析连续波雷达同频干扰产生的原因,并针对同频同步和同频异步两种干扰分别提出了多角度回波抑制和改进型多脉冲相关抗异步两种抑制方法。仿真结果表明这些方法有效可行,能够消除无人艇编队内多部导航雷达之间的同频干扰。     

基于区块链的无人艇编队协同通信技术应用研究

以无人艇为研究对象,引入当下热点的区块链技术并结合无人艇编队协同攻防作战场景,对编队协同通信需求及现有的不足进行分析,提出一种基于区块链的无人艇编队协同通信技术。利用区块链技术去中心化、不可篡改、亦追溯等特点,建立一种无人艇编队跨任务链架构,并对无人艇协同作战中的身份认证、信息交互、指挥与决策等应用场景开展流程设计,提高了编队信息传输的可靠性和准确性,为未来实现大规模的无人战场自治提供借鉴和参考。     

基于总线的多任务无人水面艇分布式控制平台设计

相比有人驾驶船舶,无人水面艇因其具有低成本、高速度、高机动性以及高智能化等特性,特别是在危险情况下代替人工作业的应用实践,近年来已成为一个研究热点。本文首先分析了现有无人艇控制系统方案及存在的问题,进而提出了一种基于总线的分布式控制平台设计方案。然后详细分析了智能终端、主控单元的设计方案。结合实际项目应用进行了系统测试,试验数据表明本文提出的分布式控制平台设计方案可行,通过自主研制的智能终端可稳定、可靠地实现多传感器数据的分布式采集、处理以及共享,分布式结构保证系统可方便地搭载或变更任务模块。     

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。     

计算机辅助无人艇自动操纵性研究

为了有效提高无人艇操控性能,确保无人艇自身安全,设计计算机辅助技术的无人艇自动操纵性控制技术。首先分析高速无人艇操控机理模型,建立无人艇多自由度数学模型,然后根据当前数据结构最小化的数据准则原理,引入线性函数,动态坐标划分为差平面,提出对应控制策略,最后采用计算机辅助技术建立的偏差自适应体系实现无人艇操控调整。仿真实验数据证明,本文技术的无人艇航线跟踪和自主航行控制性能明显提高。     

海上异构无人装备一体化协同作战架构

在未来战争中,无人化、多平台联合作战已经成为新型战争形态的发展方向,特别是面向多样化作战任务时,异构无人装备的协同运用才能充分发挥体系作战效能,但由于异构无人装备在行为模式和智能水平等方面的显著差异,给异构无人装备的协同作战组织也带来了极大的困难。本文在对各类无人装备的特点和作战能力分析的基础上,提出水面无人艇与无人机异构平台协同作战概念,建立异构无人装备协同作战控制体系架构,对于异构无人装备体系化协调发展和一体化协同运用具有较强指导意义。     

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。     

Measurements of a small scale eddy at a tidal inlet using an unmanned automated boat

An unmanned automated boat equipped with an acoustic Doppler current profiler was used in field surveys at a tidal inlet, the Southwest Pass of Vermillion Bay, Louisiana on Sept 6 and Oct 6, 2007. During the first survey, under calm weather conditions, a small scale eddy with a diameter of 300 m was discovered with strong upwelling and downwelling zones. A detailed analysis of this small eddy shows that the eddy's velocity field is relatively uniform in the vertical and the eddy is formed by a flow convergence, tidal velocity shear induced relative vorticity, and the interaction between the horizontal flows and bathymetry. The major upwelling area is where an uphill flow occurs while the major downwelling area is where a downhill flow occurs. The vorticity of this eddy is on the order of 0.013 s^? 1, which is two orders-of-magnitude larger than the planetary vorticity, and one-order-of magnitude larger than that in a typical tidal inlet without eddies. The Coriolis effect is thus insignificant and the generation of the eddy cannot be affected by the earth rotation. The maximum upwelling and downwelling velocities exceed 0.3 m/s. This high vertical velocity in a tidal inlet does not appear to have been reported before. The second survey, conducted under a thunder storm condition, did not reveal a similar eddy at the same location during roughly the same tidal phase. Though the measurements of 3-D flow structure under a thunder storm condition in a tidal channel does not appear to have been reported before, the second survey is of important value in providing support of the mechanism of the eddy formation during the first survey: the wind tends to produce downwind flow in shallow water than in deep water, producing a velocity shear counterproductive to the formation of the eddy. Therefore, the second survey under a thunder storm condition did not show an eddy. A scaling analysis of the non-hydrostatic flow shows that the uphill and downhill flows introduce a non-hydrostatic flow component proportional to the square of the bottom slope which leads to the conclusion that the non-hydrostatic flow component affects less than 10% of the vertical momentum balance.     

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。     

一种基于自主航行的无人水面测量船的研制

研制了一种用于河流、湖泊、浅水、近滩自主航行的无人水面测量系统。该系统可搭载多种传感器,包括声学多普勒流速剖面仪ADCP、单波束测深仪、声纳等。其组成包括岸基(母船)控制单元和无人水面测量单元,其中岸基控制单元利用无线网桥通信遥控测量船自主航行或走航测量并实时接收测量数据,无人水面测量单元搭载差分GPS、惯性导航系统、单波束测深仪、摄像头和数据交换工控系统。目前已经过多次湖试,验证了无人水面测量船用于水下测量、水质采样的可行性和实用性。     

水下无人作战系统武器控制研究

水下无人作战系统将是潜艇之外最主要的水下作战平台,但它的武器控制与传统水下有人作战平台武器控制存在明显区别,在实际使用前仍面临诸多问题需要解决。本文从水下无人作战系统武器控制发展现状及其面临的技术挑战,水下无人作战系统武器控制原理和关键技术等方面对水下无人作战系统武器控制进行综合分析,可为水下无人作战系统及其武器控制系统设计和使用提供借鉴和参考。