无人艇航迹跟踪控制系统设计与验证

针对复杂湖面环境干扰下的无人艇自主航行控制问题,设计了一种有效的无人艇航迹跟踪控制系统。该系统从航迹跟踪控制算法、数据融合处理、上位机监控三个部分展开设计。在算法设计层面,将航迹跟踪控制问题分为外环和内环两部分,外环部分提出了一种自适应视线(Line of sight,LOS）制导算法,以求解目标航向角作为航向控制器的输入;内环部分设计了无模型自适应PID航向控制器,以实现无人艇稳定的航行。在数据处理层面,采用卡尔曼滤波算法对传感器信息进行融合,实现了对无人艇位置和姿态信息的准确估计。在监控层面,设计了一种可视化上位机软件,实时监测无人艇航行状态,保证航行安全。最后,利用实艇进行湖测实验,验证了该控制系统的有效性,结果表明该系统具备在内湖执行任务的能力以及应对复杂环境干扰的能力。     

无人水面艇直线航迹跟踪控制器的设计与验证

针对欠驱动无人水面艇航迹跟踪控制问题,设计一种直线航迹跟踪控制器.该控制器由导引算法和航向控制器两部分组成.导引算法基于LOS导引原理,根据给定航迹得出无人艇的期望航向;航向控制器采用抗饱和PID控制方法,通过负反馈防止积分器饱和,解决了传统PID控制器的航向超调和振荡问题.该航迹跟踪控制方法在DH-01小型欠驱动无人水面艇上得到验证.试验结果表明,航迹跟踪误差小于0.05 m.     

基于轨迹线性化的无人水面艇航向控制与验证

为解决无人水面艇在真实海洋环境中的航向跟踪与保持的精确控制问题,以"蓝信"号无人水面艇为研究对象,辨识模型参数,然后建立操纵运动模型,设计并验证了一种快慢回路时标分离的基于轨迹线性化的无人水面艇航向控制方法.考虑到未建模动态以及海洋环境干扰对无人水面艇运动的影响,将非线性干扰观测器与轨迹线性化控制相结合,提出一种基于非线性干扰观测器的轨迹线性化航向控制方法,以提高航向控制的精度和鲁棒性.仿真结果验证了该方法的控制性能.通过"蓝信"号无人水面艇在大连海事大学凌水校区外部海域的实船实验,验证了轨迹线性化控制方法在实际工程应用中的正确性和有效性.     

基于模糊神经网络PID的无人艇航向控制器研究

针对常规比例、积分和微分(proportional integral derivative, PID)控制器在无人艇航向控制系统中表现出的稳定性差、控制精度低等问题,文章提出一种将模糊控制与反向传播(back propagation, BP)神经网络相结合的控制算法;在MATLAB中对比常规PID控制器、模糊PID控制器与模糊神经网络PID控制器在给定期望航向角下的航向控制性能,仿真结果表明模糊神经网络PID控制器对无人艇的航向控制性能最佳;在搭建的实验平台上对不同航向控制器下无人艇的航行轨迹和航向角进行比较,实验结果进一步验证了模糊神经网络PID航向控制算法的优越性。     

水面无人艇危险规避方法

设计了一种符合国际海上航行规则的相对坐标系下动态规避方法,以处理水面无人艇的危险规避问题.根据国际海上航行规则将碰撞局面划分为追越、交叉相遇、正面相遇3种局面.计算相对坐标系下相对速度的改变量,并通过改变无人艇的航速和航向,完成对障碍物的危险规避.搭建了无人艇半实物仿真试验平台,以方便快捷地验证危险规避系统的可行性和可靠性.大量半实物仿真试验结果表明,基于所设计的无人艇危险规避方法可以有效地完成静止或运动障碍物的危险规避任务,规避航线合理,满足无人艇规避系统的要求.     

一种小型无人船导航-制导-控制系统设计与验证

针对具有自主执行任务能力的小型无人船,设计一种有效的导航-制导-控制系统.采用卡尔曼滤波进行传感器信息融合,实现无人船的状态估计;设计一种基于时变前向距离的LOS制导方法,实现无人船直线航迹跟踪;通过设计抗饱和积分PID控制器,使得无人船快速、准确地收敛到期望航向.仿真研究验证了所设计系统的可行性,在"智海1号"小型无人船上进行的实验验证了系统的可靠性和稳定性.     

水面无人艇模糊神经网络航向控制器设计

针对常规PID控制器在无人艇航向控制系统中表现出抗干扰能力弱,控制精度低等问题,本文提出了一种应用模糊神经网络算法的航向控制器设计方法.首先通过神经网络分类回归确定隶属度函数,然后经由模糊控制在线整定PID控制器KP、KI、KD三个参数,确保对无人艇航向的实时控制.仿真结果表明,该控制器满足航向控制所需的实时性,具有控制精度高和鲁棒性好的特点,并且提高了无人艇在复杂环境中的自适应能力.     

基于串级PID的机器鱼位姿控制算法

针对三关节仿生机器鱼的位姿控制问题, 首先, 介绍三关节仿生机器鱼的硬件结构及其运动控制系统; 其次, 基于期望位姿建立坐标系, 构建机器鱼的位姿误差模型； 再次, 在串级比例-积分-微分(PID)控制系统的基础上, 提出基于串级PID的仿生机器鱼位姿控制算法; 最后, 在URWPGSim2D仿真平台和多水下机器人协作控制系统平台下分别进行算法仿真实验和实体实验. 实验结果表明: 与时变反馈控制算法相比, 基于串级PID算法的仿真机器鱼到达目标位姿所用时间增加, 但位置误差和方向角误差减小, 位姿控制的精度提高; 仿生机器鱼到达期望位姿所用时间为14.4 s, 位姿误差为(-3像素,-4像素,0.062 rad), 基本满足循迹和搬运等应用要求, 验证了算法的有效性.     

基于预设性能的欠驱动UUV有限时间路径跟踪控制

为实现参数摄动、海流扰动条件下欠驱动水下无人航行器（underwater unmanned vehicle, UUV）安全执行路径跟踪控制任务，提出一种基于预设性能、改进视线制导律（improved line-of-sight, IMLOS）和非奇异终端滑模（nonsingular terminal sliding mode, NTSM）的路径跟踪控制策略。首先，引入Serret-Frenet坐标系建立跟踪误差方程，引入预设性能函数对跟踪误差进行约束及转换；然后，设计基于预设性能的海流补偿制导律和动力学控制器，确保航行器跟踪期望路径的同时确保航行安全；最后，利用有限时间理论证明该路径跟踪控制策略作用下的闭环运动系统的跟踪误差是有限时间收敛的。通过数值仿真验证所提出的路径跟踪控制策略能够有效地执行欠驱动UUV在参数摄动、海流扰动等约束下的路径跟踪任务，且跟踪误差始终处于预设性能范围之内，可有效地保证航行器的航行安全。     

非完全对称欠驱动无人艇全局渐近镇定控制

研究一类非完全对称欠驱动无人艇全局渐近镇定控制问题,基于级联系统理论和李雅普诺夫理论实现了全局渐近镇定控制.将无人艇系统模型进行两次全局微分同胚变换,得到非线性级联系统的形式,使原无人艇系统的镇定问题简化为级联系统的镇定问题;基于李雅普诺夫稳定性理论和级联系统理论设计了镇定控制器并分析了其稳定性,实现了非完全对称欠驱动无人艇的全局渐近镇定控制.仿真结果验证了所研究方法和设计控制器的有效性和可靠性.     

基于STM32的无人艇自主导航控制系统的设计

针对无人艇远程操控和自主导航问题,设计了基于STM32的无人艇自主导航控制系统.船载系统以STM32微控制器为核心控制单元,采用互补滤波算法完成了无人艇陀螺仪角速度数据、加速度数据和磁力计数据的解算,并通过串级PID算法对航向角进行闭环控制,最后通过LABVIEW软件平台设计开发出地面站控制系统,实现了对无人艇的远程操控和自主导航功能.     

基于非奇异终端滑模的欠驱动UUV航迹跟踪控制

针对欠驱动UUV在模型参数数摄动以及未知恒定海流(对控制器而言)干扰下的水平面直线航迹跟踪控制问题,提出了一种基于非奇异终端滑模的航迹跟踪控制控制策略。首先,利用离散航迹点,规划出期望航迹;然后,基于视线法(LOS)以及Serret-Frenet坐标系,建立起航迹跟踪制导律;进而,将航迹跟踪控制问题转化为航向角的镇定问题。利用非奇异终端滑模控制方法,设计出全局有限时间收敛的动力学控制器。仿真实验结果表明:该跟踪控制策略可以精确地执行水平面直线航迹跟踪任务;对于模型参数摄动以及未知恒定海流,所设计的控制策略具有强鲁棒性。     

基于虚拟艇引导的无人艇轨迹跟踪模型预测控制

针对无人艇在跟踪任务前期因位置偏差过大及约束存在而导致模型预测控制器(MPC)震荡问题，提出一种由虚拟无人艇引导的MPC控制策略，引用虚拟过渡轨迹代替实际无人艇的目标轨迹，并设计转换条件决定无人艇在执行过程中何时退出该虚拟引导策略。为解决MPC稳定性问题，基于准无限模型预测控制理论，在MPC设计中添加终端惩罚函数，通过构造Lyapunov函数，证明了本文方法在有限时域内的稳定性。引入非线性干扰观测器对复杂海洋环境中的干扰进行观测，利用控制器对其进行补偿。圆形、正弦和直线三种工况的仿真实验验证了本文方法的有效性及准确性，可实现水面无人艇在复杂海洋环境下的轨迹跟踪控制。     

三维模型外形修改中的约束推理求解方法

结合三维模型外形修改问题研究了约束推理求解方法.从约束参数结构入手分析了位姿约束组合的解耦性质,提出了约束分量独立求解的判据.对于定向约束,采用基于球面几何的向量映射技术确定了定向(角度)约束到球平面的映射形式;对于位姿解耦的定位约束,提出了基于几何投影与求交相结合的解析求解策略.该方法适用于欠约束、完整约束与过约束系统,通过实例验证了其有效性.     

带有饱和输入和转弯半径限制的Dubins' Car位姿镇定

针对具有饱和输入和最小转弯半径约束的Dubins' Car,提出一种非线性系统连续位姿镇定方法.通过建立人工吸引协调场,用变论域自适应模糊控制在线调整协调因子,调节系统的线速度.由弹道成型制导律推导出角速度控制律,获取能量最省的收敛轨迹.考虑了实际系统的输入饱和限制和最小转弯半径约束.扩展后的控制律可实现平面内满足最小转弯半径约束的任意点一点镇定.确保系统的指数稳定性,位姿指数收敛到期望值.仿真结果表明具有较高的位姿镇定精度.     

一类二阶非完整平面欠驱动机械系统位姿控制

针对第2关节为被动的平面五连杆欠驱动机械系统,提出一种基于模型降阶的末端位姿控制策略.首先,建立系统数学模型,通过维持第1杆初始状态,将系统降阶为一阶非完整系统;其次,通过分阶段控制驱动杆角度,将系统降阶为3个具有完整约束的两连杆子系统,并基于各子系统积分特性获得驱动杆与欠驱动杆之间的角度约束关系;然后,根据角度约束关系,利用粒子群优化算法计算系统末端位姿对应的各连杆角度;最后,基于李雅普诺夫函数分阶段设计系统控制律,实现系统从初始位姿到目标位姿的控制.仿真结果验证了所提控制策略的有效性.     

基于伺服约束的无人作战平台跟随避让控制

针对无人作战平台在执行任务时需要跟随某一目标车辆，并护送目标车辆达到指定区域，但又要避免双方驶入自身的最小安全区域的问题，即跟随避让问题，提出了无人作战平台跟随避让控制方法。该文首先基于Udwadia-Kalaba理论的建模方法得到无人作战平台的动力学模型；考虑跟随避让和两者到达目标区域问题，分别建立跟随避让约束和到达约束，将无人作战平台系统的跟随避让问题转化成近似约束跟随问题，并建立约束跟随误差；针对无人作战平台在行驶时受到复杂的动态不确定性干扰的问题，设计自适应鲁棒控制器，利用Lyapunov稳定性理论证明系统误差一致有界和一致最终有界；最后进行数值仿真试验，验证该控制器的有效性。     

PID/ADRC控制器在四旋翼无人飞行控制中的应用

讨论了四旋翼无人飞行器的飞行控制问题,根据四旋翼飞行器的机理建立了运动模型和电机模型,并设计了控制系统.针对建模的不准确性,该控制系统内环回路采用自抗扰控制(ADRC)方法,外环回路采用经典PID控制方法.最后对控制系统在Matlab/Simulink平台上进行仿真,从仿真结果来看,ADRC控制能较好地对系统内扰以及外扰进行估计补偿,减轻了建模工作的负担,并且该控制系统可使四旋翼无人飞行器实现小角度姿态、位置控制、到达指定位置,表明该控制方案是有效的.     

单目视觉引导下的无人艇局部避障方法

针对无人艇（unmanned surface vehicle,USV）在作业过程中,需要及时躲避未被标注在地图上的漂浮障碍,并及时返回规划航道的问题,提出一种基于单目视觉的无人艇局部避障方法。避障方法使用YOLO网络识别图像中的障碍物,结合针孔成像原理和水体自由断面特点,解决单目视觉尺度不确定问题,从图像中恢复出障碍物的宽度及深度信息;针对无人艇惯性大,机动性差的特点,引入虚拟水道宽度等信息素,提出了改进的向量场直方图算法（vector field histogram plus,VFH+）;算法参考当前障碍疏密,动态调整不同信息素对最佳航向角计算的影响,引导无人艇在兼顾全局导航信息情况下,应对未知漂浮障碍物快速自动局部避障。基于水动力模型和Gazebo仿真引擎搭建无人艇避障的仿真实验平台。在仿真中快速迭代研究算法的参数范围及控制效果,实现了无人艇在舱内空间和能量均有限的工况下,仅使用单目视觉传感器,兼顾全局路径规划和局部障碍信息,自动化高效躲避漂浮障碍,并在脱离障碍后回归原有规划路径的功能。     

带微分观测器的双环姿态跟踪控制

针对捕获非合作目标航天器的姿态跟踪控制问题,给出了一种双环姿态跟踪控制器。通过引入虚拟角速度将二阶姿态运动方程分解为内外环独立的子系统。外环预设有界虚拟角速度使航天器姿态渐近收敛于期望姿态;内环采用二阶微分观测器精确估计由转动惯量摄动、外部干扰和饱和超幅部分组成的不确定项,基于观测值的鲁棒姿态控制器使内环角速度指数收敛于外环虚拟角速度。双环姿态跟踪控制能够满足控制饱和及角速度有界约束下的跟踪精度和闭环系统的全局渐近稳定性。数值仿真验证了该控制器的鲁棒性和有效性。