船舶运动控制综述与展望

对欠驱动水面船舶的非线性控制做了简要的论述,首先说明了问题的背景和重要意义,其次介绍了欠驱动船舶常用的非线性控制方法,最终提出了该领域的一些开放性的问题.     

欠驱动水面船舶航迹跟踪自抗扰控制

为实现欠驱动水面船舶在内部动态不确定和外界风流干扰情况下的航迹跟踪控制,首先构造能够使航迹偏差收敛的船首向角的跟踪方程,然后将航迹控制转化为实际船首向跟踪期望船首向的航向控制问题.应用自抗扰控制技术设计自抗扰航迹跟踪控制器,解决了恒定风流干扰造成的船舶横漂问题.应用非线性水动力模型进行仿真,结果表明,控制器能够实现欠驱动船舶对直线和曲线路径的精确跟踪,且具有较强的鲁棒性.     

基于变结构自抗扰的欠驱动水面船舶航迹保持控制

针对受内部动态不确定和外界风流影响下的欠驱动水面船舶直线航迹保持问题,将变结构控制引入非线性自抗扰控制器中,在保证原控制器优点的同时,大大减少了需要整定的参数.同时构造降维方程,使航迹控制问题转变为简单的跟踪参考航向问题.仿真结果表明,新控制器具有较好的控制效果,可使船舶对直线航迹精确跟踪,且具有较强的鲁棒性.     

基于非线性模型预测的欠驱动船舶轨迹跟踪控制研究

针对欠驱动船舶轨迹跟踪控制系统具有非线性、大惯性、时滞、局部线性不可控等特点，结合扩展卡尔曼滤波器和序列二次规划算法，设计了基于非线性模型预测的船舶轨迹跟踪控制策略.首先，设计了具有一定复杂度的参考轨迹，用于测试船舶的各种工况及工况切换情况.其次，应用船舶欠驱动三自由度运动控制模型与所设计的参考轨迹建立了非线性约束优化问题的目标函数，采用序列二次规划算法进行优化求解，并在扩展卡尔曼滤波器中对测量函数的雅可比矩阵进行了预求解以减少算法计算量.最后，通过对一艘运输船进行仿真试验，验证了所设计轨迹跟踪控制器的有效性和实时性.     

欠驱动水面船舶的自适应神经网络-滑模路径跟随控制

针对欠驱动船舶的路径跟随问题,提出了一种综合神经网络和滑模控制的控制方法.采用视线(LOS)制导方法解决船舶欠驱动问题,并设计了关于漂角的自适应状态观测器,将预测的漂角引入LOS以补偿漂角引起的稳态横向偏差;使用滑模控制方法实现航向控制,并用神经网络处理控制模型的不确定性问题;应用Lyapunov理论证明了控制系统的稳定性,同时通过对比仿真试验结果,验证了本文所提出控制器的有效性.     

欠驱动船舶RBF神经网络路径自适应跟踪控制

针对模型参数未知和存在外界干扰的三自由度欠驱动水面船舶路径跟踪控制问题,提出一种RBF神经网络控制器.该算法利用神经网络的函数逼近特性对船舶模型未知的非线性部分在线逼近并与反步法相结合进行设计,同时实现前进速度在线可调.通过Lyapunov稳定性方法分析验证了闭环系统的稳定性.仿真计算验证了该控制策略的有效性.     

基于循环追踪的船舶圆形编队控制

针对欠驱动船舶之间的协同合作问题,对船舶的圆形编队控制进行了研究.采用坐标变换,得到新的船舶圆形编队控制的运动学模型.基于这种模型,运用循环追踪控制策略,得到船舶圆形编队的虚拟控制输入量.由于采用循环追踪控制,故每艘船只需了解所追踪的前一艘船的信息,而不需要知道其他船舶的信息就可以得到期望的整体队形要求,因此是所需通信数较少的方法之一.考虑船舶欠驱动的特点,将虚拟输入量与反步控制算法相结合,得到船舶圆形编队的实际控制输入.最后通过数值仿真,验证了该编队控制策略的有效性,实现了预期的编队控制目标.     

基于动态非线性滑动模态的欠驱动船舶直线航迹控制

针对带有状态变量和控制输入约束条件以及横向漂移的欠驱动船舶,设计了直线航迹控制算法,通过对系统输出进行动态非线性滑模分解迭代设计,将单输入多输出的控制问题转化为标量零阶系统的镇定问题,并利用增量反馈控制,无需对不确定模型参数或风、流干扰进行估计,能够同时稳定船舶的航向和航迹。应用"育龙"轮的非线性水动力模型进行了仿真,结果表明,控制器对系统参数摄动及外界干扰不敏感,具有强的鲁棒性,且其设计参数物理意义明显、易于调节。     

欠驱动水面船舶的轨迹跟踪模型预测控制器

针对在风、浪、流时变干扰下欠驱动水面船舶的轨迹跟踪控制问题,设计了一种基于模型预测控制的轨迹跟踪控制器.考虑到欠驱动船舶在没有横向驱动力情况下控制船舶纵向、横向和艏摇角3个自由度的运动,建立了仅有2个控制输入量且存在风、浪、流干扰下的非线性状态空间模型,在对模型近似线性化后应用线性模型预测控制方法设计出了一种考虑控制量极限约束、控制增量约束以及输出量约束的轨迹跟踪控制器.最后,在仿真环境下测试了系统对圆形轨迹的跟踪性能,并对约束进行了误差分析.结果表明,所设计的控制器能较好地满足跟踪性能,并能抵抗一定程度的环境干扰.     

欠驱动船路径跟踪的反演自适应动态滑模控制方法

针对欠驱动水面船的路径跟踪控制系统,提出一种反演自适应动态滑模控制方法。该系统由船舶艏摇非线性响应模型和Serret-Frenet误差动力学方程组成,并考虑建模误差和外界干扰力等不确定性。经过简化处理,将原欠驱动系统的控制问题转化为非线性系统的镇定问题。同时,基于反步方法和动态滑模控制理论,设计自适应动态滑模控制器。通过理论分析,证明在该控制器作用下,路径跟踪控制系统是全局渐近稳定的。仿真试验表明:该控制器对系统参数摄动和外界干扰不敏感,具有强鲁棒性和自适应性。     

船舶自动靠离泊系统方案及其混合控制策略

船舶靠离泊操纵是船舶航行过程中最精细最困难但又是最重要的一个环节,随着船舶大型化和船员数量的越来越少,使得船舶靠离泊的操作比以往更加困难和复杂,因此船舶自动靠离泊已成为船舶运动控制中的一个亟待解决的难题;同时水面船舶又是一个结构复杂的、不完全驱动的非线性系统,采用传统的控制策略不能满足要求.基于RTK技术和以太网技术给出了船舶自动靠离泊智能系统方案,同时指出了当前船舶运动非线性控制研究发展的一个新方向:一种基于逻辑的混合控制策略在船舶自动靠离泊控制设计中的应用.所得结果对船舶自动靠离泊系统的进一步研发具有一定的实践指导和理论参考价值.     

基于滑模反演的欠驱动水面无人艇航向控制

欠驱动无人艇作为一种水上重要的工作平台,其应用范围非常广泛。针对一种欠驱动水面无人艇的运动控制进行研究,首先分别建立其运动学和考虑了风浪干扰的动力学模型,得出了非线性状态空间模型;然后采用基于指数滑模面的滑模和反演相结合的控制算法设计其航向控制器;最后通过仿真和实物实验验证了设计的动力学方程和控制算法的有效性。     

欠驱动船舶直线航迹的滑模控制方法

针对一类欠驱动水面船舶的直线航迹跟踪控制问题,考虑运动响应模型的建模误差和外界干扰力等非匹配不确定性影响,基于滑模控制理论和Backstepping法,提出了一种反步自适应滑模控制律.借鉴Backstepping法的设计思想,利用一种改进积分型的滑模控制方法和自适应技术,设计了直线航迹跟踪控制的滑模控制律,并证明该控制律保证了航迹跟踪系统的全局渐进稳定性.最后,仿真对比结果验证了所提出控制器的有效性.     

平面欠驱动两杆柔性机械臂的全局稳定控制

针对平面欠驱动两杆柔性机械臂,该文提出一种新的控制策略,实现了机械臂的全局稳定控制目标。首先,为机械臂系统引入一个同胚坐标变换,将其变换为一个结构简单的新系统;然后,将新系统分离为线性和非线性2个部分,利用等价输入干扰的概念为新系统设计控制器,以实现新系统的全局稳定控制目标,并通过坐标变换的同胚性使原机械臂系统的全局稳定控制问题得以解决。该文所提控制方法仅需利用机械臂的位置量信息设计控制器,这不仅能降低控制系统成本,而且还能有效避免速度噪音对控制性能的影响。数值仿真结果显示,所提的控制策略在机械臂系统的稳定运动过程及稳定时间等性能方面,均能达到令人满意的控制效果。     

基于干扰观测器的AUV深度自适应终端滑模控制

针对欠驱动自治水下机器人（autonomous underwater vehicle,AUV）在外部干扰和系统内部扰动下深度难以控制的问题,提出基于非线性干扰观测器（nonlinear disturbance observer,NDO）的自适应终端滑模控制方法。首先建立欠驱动AUV在垂直面上的状态方程并对其简化,其次根据简化后的系统状态方程构建NDO对外部干扰进行观测,再结合反步法设计出自适应终端滑模控制器;最后通过李雅普诺夫稳定性理论证明控制系统的稳定性。结果表明：欠驱动AUV最大跟踪误差为0.137 5 m,峰值时间为2.1 s,证明了所设计的控制器能够实现深度控制,降低抖振,具有较强的鲁棒性。     

鱼雷形水下机器人非线性航迹跟踪控制 

研究了欠驱动自主式水下机器人路径跟踪问题.在Serret Frenet移动坐标系下,基于虚拟目标机器人建立了路径跟踪误差动力学方程.在此基础上,结合水下机器人动力学方程,设计了基于Lyapunov稳定性理论和反步法技术的控制器.仿真结果表明,提出的非线性反馈控制律能够保证路径跟踪误差快速收敛到零,使机器人沿着参考路径航行.     

欠驱动船舶运动的非连续变参数镇定控制

为解决欠驱动船舶在风浪干扰下不同距离镇定控制及镇定参数优化问题,设计了非连续变参数控制算法.借助微分同胚变换及控制输入变换,将欠驱动船舶运动学及动力学模型转化为具有反馈链式级联形式的两个子系统,基于backstepping技术分别设计了反馈控制率.Lyapunov直接法证明该控制策略可使闭环系统所有信号全局一致渐进稳定.对干扰进行了Lyapunov补偿,得到原系统具有收敛参数可调的非连续反馈控制率.仿真结果表明,控制器对外界干扰具有鲁棒性;可以通过参数优化实现船舶不同距离镇定,并达到不同状态约束要求.     

具有参数不确定性的欠驱动四旋翼无人飞行器的非线性控制器设计(英文)

针对具有参数不确定性的欠驱动四旋翼无人飞行器,设计了一种非线性飞行控制器.该控制器主要采用非线性鲁棒以及在线参数估计算法.利用基于李亚普诺夫稳定性分析方法,证明了这种控制器可以使四旋翼无人飞行器的x,y,z方向的位移跟踪参考轨迹,偏航角ψ稳定到任意点,并且达到全局最终稳定的控制效果.同时相对于一般的滑模控制算法,本文提出的控制器消除了颤振现象.数值仿真结果表明,本文提出的控制设计具有良好的控制效果.     

基于卡尔曼滤波的迭代学习控制方法研究

针对一类非线性欠驱动机械系统在干扰环境下动态性能变差的问题，提出了一种基于卡尔曼滤波器的遗忘因子型迭代学习控制律，以实现闭环系统的稳定控制和干扰抑制。首先，将卡尔曼滤波器作为系统的状态观测器，在含有随机噪声干扰的情况下，估计系统的最优状态；其次,通过设置自适应遗忘因子来动态适应迭代学习过程中的误差变化，使系统快速收敛并准确跟踪参考轨迹，实现运动过程中重复干扰信号的抑制；最后，以Quanser公司生产的柔性尺为实验平台来研究非线性欠驱动被控对象实际系统的控制方法，并对所提方法分别进行理论数值仿真与实物实验验证。仿真及实物实验结果表明，本文提出的控制方法可以保证被控系统稳定运行，当环境中存在随机非重复性噪声或重复性干扰时，被控系统都可以保持良好的鲁棒性。