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。     

欠驱动自主水下航行器航迹追踪控制

针对自主水下航行器控制需求建立了水下航行器在平面的运动学和动力学模型,具有内部耦合项和不确定性干扰的特征.在航行器驱动器数量少于自由度的情况下,提出了一种在二维平面内的航迹追踪控制器.控制器在预设路径输入的基础上,通过视线法确定航行器目标前向速度和转向角速度,然后通过反步法去逆向寻找确定合适的驱动器输入,使得航行器达到目标运动状态.该控制器在航迹进行有效追踪的基础上,针对航行器不同方向运动状态相互影响的情况进行处理,通过李雅普诺夫稳定性判据验证了控制系统的稳定.最终采用数值仿真对控制器有效性进行验证,并测试了控制器的良好性能.     

欠驱动水面舰船航迹自抗扰系统的研究与设计

随着全球海洋经济的快速崛起,各种先进的智能化无人舰船被广泛应用在货物运送、远程协助、海上救援等领域,所以欠驱动系统也面临更多的挑战。本文所要研究的欠驱动系统不同于传统的全驱动系统,在该系统中系统输入量要小于实际控制所需的空间维度,因此需要重点研究在复杂海洋控制条件下的系统稳定性和控制能力。本文还结合船舶控制领域的自抗扰技术,优化推进电机的控制流程,通过提升电机控制的稳定性,从而进一步改善欠驱动船舶的控制能力,增强船舶在强干扰情况下的生存能力。     

存在饱和输入的欠驱动船舶航迹跟踪控制

针对控制输入存在饱和限制的欠驱动船舶的航迹跟踪问题,提出鲁棒饱和控制方法。以船舶纵向速度和艏向角速度为虚拟输入,设计饱和运动学控制器,并引入二阶滤波器形式对控制器进行简化;利用反步法并引入Nussbaum型函数,设计饱和动力学控制器,以实现对任意光滑航迹的跟踪控制,并保证跟踪误差收敛至零点附近的一个有界区域内。仿真算例验证了设计方法的有效性和鲁棒性。     

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。     

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。     

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。

     

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。     

带不确定动态的欠驱动水面船舶鲁棒自适应路径跟踪控制(英文)

A robust adaptive control strategy was developed to force an underactuated surface vessel to follow a reference path,despite the presence of uncertain parameters and unstructured uncertainties including exogenous disturbances and measurement noise.The reference path can be a curve or a straight line.The proposed controller was designed by using Lyapunov’s direct method and sliding mode control and backstepping techniques.Because the sway axis of the vessel was not directly actuated,two sliding surfaces were introduced,the first one in terms of the surge motion tracking errors and the second one for the yaw motion tracking errors.The adaptive control law guaranteed the uniform ultimate boundedness of the tracking errors.Numerical simulation results were provided to validate the effectiveness of the proposed controller for path following of underactuated surface vessels.     

基于ESO和动态逆的欠驱动船舶航迹跟踪控制设计

针对欠驱动船舶航迹跟踪控制问题,考虑船舶动态不确定性、未知时变外部扰动和速度不可测的情况,将输出重定义方法、扩张状态观测器(extended state observer, ESO)和动态逆控制方法相结合,设计欠驱动船舶航迹跟踪控制律。输出重定义方法用来解决系统欠驱动问题;构造ESO,估计由船舶动态不确定性、未知时变外部扰动以及船舶各自由度运动状态变量间的耦合构成的总扰动和船舶速度;基于上述,采用动态逆控制方法,设计航迹跟踪控制律,使欠驱动船舶跟踪期望航迹,并保证航迹跟踪闭环控制系统所有信号最终一致有界。以一艘欠驱动船舶为例进行仿真研究,仿真结果验证了所设计的航迹跟踪控制律的有效性和优越性。     

基于最小二乘法的欠驱动水面船舶模型预测控制

针对欠驱动水面船舶轨迹跟踪控制问题,根据模型预测控制（Model Predictive Control,MPC）原理,提出一种基于参数化模型的非线性模型预测控制（Parameterized Model – Nonlinear Model Predictive Control,PM-NMPC）方法。采用最小二乘法对船舶的参数化模型进行辨识,设计PM-NMPC控制器。对环境干扰下的某集装箱船艏向角控制和轨迹跟踪进行试验,验证控制算法的有效性,并将该控制器与比例积分微分控制器（Proportional plus Integral plus Derivative controller,PID controller）进行对比。仿真结果表明,PM-NMPC控制器轨迹跟踪效果更好,对未知干扰具有更强的稳健性。     

未知扰动下的欠驱动水面无人艇区域保持控制方法

尽管水面无人艇（USV）已经应用于许多场景,但无人艇水面区域保持仍是一个极具研究意义的问题。主要原因是USV具有复杂的非线性水动力学和欠驱动特性。在实际应用中,由于不确定的环境扰动及传感器测量噪声,很难对USV产生较好的控制效果。文章建立了一个适用于USV区域保持的简化数学模型,并提出一个闭环控制方法,既简化控制器设计又能达到满意的控制性能。针对欠驱动USV的区域保持问题,提出基于环境最优位置控制（WOPC）改进后的策略,采用策略估计扰动的方向,生成考虑欠驱动特性的控制目标。试验结果表明,所提出的方法相较传统WOPC在不同环境扰动下取得了较好的效果,并能减少能耗。     

动态神经模糊模型的船舶欠驱动水面运动控制

欠驱动水面运动控制系统是现代大型船舶动力控制系统的主要组成部分,控制船舶水平、垂直及航向3个方面。控制系统的精度、时效性直接影响到整个动力装置的性能。同时,由于海上环境的多变性,欠驱动水面运动控制系统具有控制滞后、惯性力矩较大等非线性因素。本文结合海上实际环境,提出一种动态神经模糊网络的船舶欠驱动水面运动控制算法,描述船舶动力系统的受力特性,较为精确模拟了非线性系统控制模型,最后进行了仿真。     

X舵欠驱动AUV凯恩动力学建模

X舵欠驱动AUV结构复杂、舵片与本体之间相互作用力增多,对其进行动力学建模变得非常困难。为了克服相互作用力对建模过程的影响,引入凯恩动力学的相关知识,推导出X舵欠驱动AUV的凯恩动力学模型。以广义坐标为基础,推导出力的作用点处的广义速度、偏速度、偏角速度的计算公式,给出了计算广义主动力和广义惯性力的方法,展示了凯恩动力学的建模步骤。通过水平面和垂直面的仿真结果,验证了该建模方法的有效性。该建模方法可以避免相互作用力的计算,清晰地展示出力对动力学模型的贡献。     

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。     

欠驱动船舶全局K指数航迹跟踪的级联反步法

研究一类欠驱动船舶的全局航迹跟踪问题。首先对船舶动态系统和期望动态系统分别进行全局微分同胚变换,得到航迹跟踪的误差动态方程,由此将航迹跟踪问题转化为误差动态系统的镇定问题,然后利用级联系统理论将误差动态方程的镇定问题分解为两个独立子系统的镇定问题。通过分别为子系统设计全局指数稳定控制律实现了欠驱动船舶的全局K指数航迹跟踪。仿真结果验证了所提方法的有效性。     

基于视觉伺服的欠驱动无人水面艇自主靠泊方法

无人水面艇在开阔水域的自主航行得到了广泛的应用,但由于码头结构复杂、船只较多等因素,目前无人水面艇的靠泊还是需要人工来完成,这已成为无人水面艇全自主作业的瓶颈问题。为此本文提出了一种基于视觉伺服的无人水面艇自主靠泊方法。首先,通过无人水面艇搭载的视觉系统采集泊位的场景,从中提取出泊位标志物并将其作为视觉跟踪的对象;然后,利用标志物图像和期望图像的几何参数计算出航向偏差角,通过标志物图像计算标志物和无人艇的位置关系并求得虚拟航线,进而得到偏航距离;最后,选取航向偏差角和偏航距离作为控制变量,控制器实时调整无人水面艇航向和航速使其驶向泊位,当标志物图像与期望图像的差值小于设定阈值时即停止自主靠泊任务。实船试验结果表明,在较小风浪条件下靠泊位置误差小于0.7m,航向误差小于12°。