基于预测函数算法的船舶动力定位系统控制

在系统分析和研究船舶动力定位的基础上,提出了一种基于预测函数控制的船舶动力定位方法,设计了预测函数控制器。在船舶动力定位部分,介绍船舶动力定位系统数学模型的选取,在预测函数控制部分,具体的探讨了预测函数控制方法的原理以及具体的算法。最后采用工程数据,对该算法进行了仿真验证,结果表示,预测函数控制方法能对船舶进行有效的定位。     

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。     

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。     

解析模型预测控制在欠驱动船舶路径跟踪控制中的研究

从非线性、欠驱动、船舶模型参数易控制的欠驱动船舶路径跟踪入手进行问题研究,采用解析模型预测控制,利用单输入单输出系统,通过对时域上的性能函数求导求得最优控制律;然后利用无干扰情况的船舶模型进行最优控制律的简化;最后通过实验进行验证本文算法与带反馈的线性欠驱动船舶直线路径跟踪控制相比趋于稳定的时间要短,可靠性和收敛性更优。     

Finite-time ship formation control based on extended state observer北大核心CSCD

[目的]为了解决大多数船舶编队控制算法控制周期长和时效性差的问题,提出一种基于扩张状态观测器(ESO)的有限时间控制策略。[方法]采用一种非线性终端滑模算法,通过对控制律分区域设计,克服传统终端滑模存在的奇异性问题;将非线性终端滑模与图论结合,实现有限时间的船舶编队控制;利用扩张状态观测器观测并补偿船舶模型中的不确定性及外界的干扰,以保证船舶编队控制的精确性;运用Lyapunov理论验证船舶编队控制律的稳定性。[结果]仿真结果表明,采用所提控制策略使整个编队系统误差在5 s左右趋近于0,从而实现了稳定。[结论]该控制策略能有效控制船舶编队,且控制速度快、时效性好。     

基于领导跟随的船舶航迹控制

无人艇协同编队控制具有重要的军事和商船应用前景。利用多智能体聚集模型,基于leader-follower的目标跟踪,实现了含有模型不确定性与未知海浪流干扰项的多无人艇协同编队控制。采用单隐层神经网络逼近船舶整体未知项和环境干扰,引入一阶滤波器代替反步计算中的微分项,显著减少了计算量。利用时-空解耦方法,各船舶通过交互航迹参数信息,间接实现分散协同编队控制。利用Lyapunov稳定性分析方法,证明闭环系统所有状态和信号收敛于一有界集。通过选择合适参数,可使控制精度误差范围为任意小,仿真结果验证了控制算法的有效性。     

2种典型AUV编队控制算法比较与局部优化研究

本文研究分析了基于领航者-跟随者的编队控制方法和基于路径跟随的编队控制方法等2种常用的AUV编队控制方法异同点。针对2种方法在路径点切换时航向变化较大的共性问题,提出采用B样条曲线对规划航路做在线的局部B样条拟合优化,对路径切换点处领航AUV的控制航向角作适度平滑处理。通过数值仿真验证了该方法可改善路径切换时,基于领航者-跟随者的编队控制中的跟随AUV目标跟踪位置变化速度和曲率,削弱了跟随AUV的点跟随难度;同时在路径跟随的编队控制中,利用B样条基函数自变量作为在切换点附近路径的同步控制参数的一部分,可提高切换点附近路径上编队的同步速度。     

自适应控制技术在船舶编队中的应用与实现

在海洋上航行的船舶越来越多,尤其在狭小航道中,船舶的有序编队航行尤为重要。为应对这种发展要求,需要解决船舶编队航行中遇到的通讯控制难题。本文探讨船舶编队航行的特点,并建立相应的船舶动态航行模型。利用神经网络算法,建立具有自适应控制能力的船舶编队控制模型。通过对动态非线性航行的仿真和分析,本文提出的自适应控制技术能够满足船舶编队航行的运动控制要求,在船舶跟随和扰动响应上性能优越,具有良好的市场应用价值。     

双时钟法在船舶远程通信网络拥塞控制中的应用

在利用传统方法控制船舶远程通信网络拥塞时,在平均队长为143.52～162.52 packet的范围内,存在链路利用率较低的问题。因此,将双时钟法应用于船舶远程通信网络拥塞控制中。忽略船舶远程通信网络中存在的超时重传机制,对随机微分方程与数据流进行分析,从而构建船舶远程通信网络动态模型。通过控制预测函数实现船舶远程通信网络的快速高精度跟踪控制,从而节省链路资源。基于此,利用双时钟法设计AQM滑模控制器,实现船舶远程通信网络的拥塞控制。为证明本文方法的链路利用率较高,将其与2种传统方法进行对比。实验结果证明,本文方法的链路利用率最高,对于船舶远程通信网络鲁棒性、稳定性的提升有很大意义。     

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。     

基于逆推方法的非线性船舶航迹跟踪控制

基于包括科氏向心矩阵和非线性阻尼项的、带恒值扰动的非线性船舶水面运动数学模型,采用带积分器的逆推(Backstepping)设计工具,设计船舶航迹跟踪控制律;并借助Lyapunov函数、应用相关引理证明了所设计的船舶航迹跟踪控制律使得最终的闭环航迹跟踪控制系统一致全局渐近稳定,达到航迹跟踪控制的目的.仿真研究表明,所设计的控制律使船舶能够克服恒值扰动跟踪期望航迹,且控制量合理,从而验证了所设计控制律的有效性.     

大数据驱动的船舶航行路径跟踪研究

船舶航行路径跟踪控制时控制器会经历次数较多的更新而加速磨损,因此设计一种大数据驱动的船舶航行路径跟踪方法。忽略船舶航行过程中的升沉、俯仰和横摇运动,建立船舶三自由度数学模型,简化惯性矩阵,引入坐标变换公式解决外界扰动补偿问题;在控制器设计中,引入机器学习算法构造虚拟控制律的预选函数,采用滤波器去除外界干扰,完成大数据驱动的船舶航行路径跟踪研究。实验结果表明,设计方法大幅减少了控制器的更新次数,具有一定有效性。     

基于曲线拟合的船舶航行路径长度预测研究

针对传统船舶航行路径长度预测方法存在路径长度预测性能较差的问题,设计一种基于曲线拟合的船舶航行路径长度预测方法。针对船舶航行路径实施环境建模,以处理和获取空间船舶航行路径的环境信息。利用构建的环境模型确定船舶航行路径的代价函数,函数中包括过大转弯角个数函数、平滑度函数与航程函数3个因素。根据船舶航行路径代价函数,基于曲线拟合对船舶航行路径长度进行预测,首先需要基于曲线拟合对船舶航行路径长度进行量化,接着通过明示距离法对船舶航行路径长度进行预测。为了证明基于曲线拟合的船舶航行路径长度预测方法的路径长度预测性能较强,将传统船舶航行路径长度预测方法与该方法进行对比实验。实验结果证明该方法的路径长度预测性能优于传统方法,实现了性能突破。     

船舶电机伺服系统离散变结构优化控制方法

为了有效提高船舶电机伺服系统离散变控制精确度,对传统控制方法的控制函数进行优化,提出新型电机伺服系统离散变结构控制方法。确定伺服系统的切换函数并修正传统控制函数的幂次趋近率,添加扰动估计量值,对系统控制不确定项进行补偿,获取最终控制函数,对控制数据降维,完成控制函数的收敛校对,添加周期量,保证系统可以完成定位控制,实现船舶电机伺服系统离散变结构的整体高精度控制。实验数据表明,与传统控制方法相比,设计的控制方法跟踪控制精确率提高了13%,定位控制精确度提高了22%,可以有效提高系统控制精确度。     

船舶编队过闸航行三维实时仿真

多船编队自动协同过闸是一种能深入挖掘船闸通航潜能、保障航行安全的航运新模式。为评估和验证船舶编队过闸航行控制效果,研发了一种船舶编队过闸航行三维实时仿真系统。首先,设计了船舶编队过闸航行三维仿真系统分布式架构,结合船闸水域卫星图并利用映射技术构建了船闸水域场景地形,制作了基于Unity的船闸水域三维仿真静态和动态场景。其次,采用动态和静态模型相结合方式构建了船闸运行系统,并根据船舶自身尺度和船闸宽度等条件实时计算船舶编队状态,实现了船舶纵向、横向编队全过程三维实时动态仿真。最后,以船舶自适应巡航编队航行和多船双向编队过闸航行为验证实例,对船舶编队过闸航行三维实时仿真系统分别进行了验证,结果表明本系统能实时动态模拟船舶编队过闸全过程,并准确计算船舶编队过闸航行状态,可为未来实现船闸水域船舶编队航行提供重要的基础平台支撑。     

利用卡尔曼滤波预测船舶航行轨迹异常行为

随着计算机控制技术的飞速发展,在船舶的航行预测和控制领域,人们相继开发出了各种智能化的预测算法,从而保证了船舶航行的安全。在船舶的行为预测和控制中,需要大量的传感器对船舶的姿态信息、设备状态信息和通信导航设备信号进行采集,因此本文着重研究了信号的滤波算法。本文提出了基于卡尔曼滤波算法的船舶航迹跟踪技术,并针对船舶的航行特点,建立了适当的运动模型和状态方程,最后通过仿真实验,对扩展卡尔曼算法的目标跟踪性能进行验证。     

基于改进PID控制的船舶航迹跟踪研究

传统PID控制的船舶航迹跟踪误差大,实时性差,无法满足船舶航迹跟踪的实际应用要求,为此提出了基于改进PID控制的船舶航迹跟踪方法,首先对传统PID控制的船舶航迹跟踪方法的工作原理进行分析,找到引起跟踪误差大的因素,然后引入人工鱼群优化算法对PID控制的参数进行实时调整,改善固定PID控制参数的缺陷,最后实现船舶航迹跟踪仿真模拟实验。相对于传统PID控制的船舶航迹跟踪方法,本文能以更高精度对船舶航迹进行跟踪,可以准确刻画船舶航迹的变化趋势,具有比较显著的优势。     

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EM算法的船舶大转向航向路径跟踪控制方法

目前研究的船舶大转向航向路径跟踪控制方法在解决航向环境变化下船舶大转向航向路径跟踪控制问题时,解决能力较弱,抗干扰能力较差。为解决上述问题,基于EM算法研究了一种新的船舶大转向航向路径跟踪控制方法,通过构建基于EM算法的船舶大转向特征模型获取完整的船舶信息并对其进行在线参数估计,为航向路径跟踪控制奠定基础,结合GPS定位系统对船舶的大转向航向路径进行实时跟踪和路径描绘,以EM算法对其大转向航向路径进行控制。实验结果表明,基于EM算法的船舶大转向航向路径跟踪控制方法跟踪准确、控制有效,适用于为了船舶领域的进一步发展。     

一种无需指定船舶位置的新型船舶大规模自主编队方法

[目的]针对船舶大规模编队通信量大、编队速度慢、不便于扩充等问题,提出一种新型的虚拟壁面编队方法。[方法]使用局部通信,根据自然规律,设定虚拟作用力驱使船舶向目标位置集合,并通过虚拟壁面调整队形,从而实现船舶编队的目的。[结果]结果表明,所提方法能够按照“就近原则”快速地完成编队,通信量低且不随编队规模而增加。通过对船舶编队的静态、动态、旋转、缩放和避障的仿真验证了这种算法的有效性。[结论]所提虚拟壁面法具有通信量低、编队速度快、扩充简单等优势,在船舶大规模编队中具有明显优势。