无人艇研究进展及发展方向

近年来,无人艇行业的研究非常活跃,既有高等院校参与,也有工业界的研究机构参与,科研人员从不同研究目的出发,为无人艇的研究做出了各自的贡献。一般而言,无人艇是包含通信、导航、控制、监测等多种仪器的高科技装备,本质上是一种基于某些特定应用搭载各种装备和仪器、实现特定功能和任务的自动化水上平台。目前为止,无人艇的性能改进研究还有较大的空间,需要将控制理论与工程实际更进一步结合。本文将针对国内外无人艇的发展概况以及无人艇研究尚存在的问题展开论述。     

基于Arduino开发环境的无人艇控制系统设计

针对无人艇实体硬件开发较少、设计开发周期长且控制系统造价昂贵这一现状,设计一种无人艇控制系统。系统以Arduino为集成开发环境,整体涵盖电机驱动系统、环境感知系统、运动状态监测系统和通信系统。系统以At Mega 2560单片机为主控单元,集成电机驱动模块、超声波传感器模块、GPS模块、惯性导航模块以及GPRS模块,并完成集成电路设计与集成开发板的制作。通过对主控单元进行编程,结合自动路径规划算法和自动避障算法,无人艇可以完成自主运动控制和对周围环境的智能感知,且无人艇船载设备端与网络控制端之间可以进行实时交互,具有无线网络通信功能。最终实现一种低成本、高效率的无人艇控制系统设计方案,具有实际工程应用价值。     

基于数据驱动控制的船舶自动靠泊

船舶靠泊时航速低,存在岸壁效应、浅水效应等复杂情况,难以采用基于模型的运动控制算法实现对其精确操控,因此设计一种实时采集动力学数据的硬件架构,并采用对反馈的数据直接进行运动控制的方法,实现船舶自动靠泊。该方法通过在船上不同位置布设微波雷达形成阵列,获取船舶的不同位置相对于泊位岸壁的实时距离信息,并结合船舶的实时位置信息,通过计算几何的方法得到船舶相对于泊位的实时位置和姿态。根据精确定义的船舶靠泊状态,设计一种由上层调度和下层控制组成的船舶自动靠泊方法,其中:上层调度采用基于专家系统的逻辑推理表;下层控制使用基于实时数据驱动的无模型自适应控制实现船舶操控。通过海量的实操数据精确调整控制器参数,从而提升控制器在真实环境下的适应性和可靠性。实船试验结果表明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。