无人艇自适应航迹跟踪控制策略研究

针对无人艇航迹跟踪过程中操舵造成的速度损失以及转向导致的跟踪误差变大等问题,提出了一种自适应航迹跟踪控制策略。在制导环中,采用自适应接纳圆策略,根据各航迹段之间的夹角自适应调整航迹点的接纳圆半径,设计了自适应视线制导律,提高了无人艇转向时的跟踪精度;在控制环中,提出了基于模型预测控制的航向及航速解耦控制策略,该策略首先将航向模型与航速模型的耦合项视为时变扰动,提出了一种新的时延估计方法,然后通过航向控制器进行预测,最后在航速控制器中对时变扰动进行补偿,减小了速度损失。之后,通过MATLAB仿真平台对算法的可行性进行验证。实验结果表明,所提出的自适应航迹跟踪控制策略跟踪精度更高、收敛速度更快、抗干扰能力更强、能耗更少。     

基于DVS制导算法的欠驱动船舶路径跟踪指令滤波滑模控制

针对欠驱动水面船舶在模型参数不确定和未知风浪流扰动情况下的路径跟踪问题,提出一种改进的动态虚拟小船(dynamical virtual ship,DVS)制导算法,并采用指令滤波反推法设计模型运动学回路的前进速度和艏摇角速度的虚拟控制律,进而将船舶路径跟踪问题转化为前进速度误差和艏摇角速度误差的镇定问题,在模型动力学回路上采用PI积分滑模控制方法设计实际控制律.该控制策略能够减少和避免因对虚拟控制律求导而造成的计算负担和高频噪声对系统的影响,且对模型参数不确定和未知扰动具有鲁棒性.仿真实验表明,该控制策略可实现船舶在模型参数不确定和未知风浪流扰动下对规划路径的精确跟踪.     

欠驱动UUV三维轨迹跟踪的反步动态滑模控制

提出一种欠驱动无人水下航行器(UUV)反步自适应动态滑模控制方法.结合反步和自适应滑模控制技术设计UUV的位置、姿态和时变速度跟踪控制器,采用虚拟速度来代替姿态误差的控制策略,将姿态跟踪控制转化为速度控制,能够有效避免传统反步法控制律设计存在的奇异值问题.针对系统模型不精确及时变扰动问题,引入滑模控制技术进行自适应补偿估计,提高了欠驱动UUV在未知环境中的鲁棒性及自适应能力,并基于李雅普诺夫稳定性理论证明了该控制系统误差最终一致有界.仿真结果表明:提出的UUV三维轨迹跟踪反步动态滑模控制方法收敛、有效,能够实现在系统参数不精确及时变扰动情况下的三维轨迹精确跟踪控制.     

小型吊舱式无人艇航向控制

针对小型吊舱式无人艇航向控制系统精度问题,考虑模型中的不确定性和风、浪干扰等未知项,设计一种基于RBF神经网络和迭代滑模算法的自适应控制器.在建立吊舱式无人艇运动数学模型基础上,采用迭代滑模算法提高收敛时间,并通过RBF神经网络权值逼近模型参数不确定项和未知扰动,最终将该算法与迭代滑模算法进行仿真比较.结果表明,所提出...     

基于新型趋近律的智能无人车辆线控转向系统滑模控制

路径跟踪是智能无人车辆的关键技术之一，其中，对线控转向系统的精确控制是影响智能无人车辆路径跟踪精度的重要因素.为提升线控转向系统在未知扰动下的转角动态响应性能和路径跟踪精度，本文基于一种新型趋近律设计了改进滑模控制方法并应用于线控转向系统.首先，考虑模型不确定、系统摩擦和齿条力建立线控转向系统数学模型.然后，分析得到滑模趋近律的设计原理，通过设计参数调节函数构建了一种新型滑模趋近律实现趋近速度的动态调节，并对比分析了其在离散形式下的性能.最后，针对线控转向系统，设计改进滑模控制方法.仿真和试验结果表明，改进滑模控制方法能够改善线控转向系统对转角的动态响应性能，提高路径跟踪精度.     

基于航向控制的欠驱动船舶曲线航迹控制

针对无人操纵船舶的曲线航迹跟踪控制问题中,大多数控制器都采用带有时间参数t的航迹表示法的情况,设定一种新的与时间无关的航迹路径表示方法。通过引入偏航误差,得到期望航向角的补偿值,并以此消除航迹控制中的偏航误差,达到曲线航迹控制的目的。并采用滑模控制以及模糊S面的思想,提出一种基于航向控制的曲线航迹控制方法。仿真结果说明该航迹表示法的可行性,以及控制律的有效性。     

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。     

基于双闭环的矢量推进器的AUV转向控制方法

水下无人自航行器(autonomous underwater vehicle,AUV)在对海洋环境进行勘查与测量时,实际航迹与目标航迹的偏差要求控制在一定精度范围内.在传统常采用的航向单闭环方法控制下,基于矢量推进器的AUV在高速转向时存在航迹跟踪效果差的缺点.针对这一问题,设计了一种双闭环自适应转向运动控制方法.该方法基于矢量推进器机动性强的特性,在AUV转向时将航向控制闭环和航速控制闭环设计成双闭环,调整航向的同时依据航向环偏航角差实时控制航速环AUV转向目标速度.理论分析和实验证明:在AUV转向时,该控制算法可以更好地实现航迹跟踪,实际航行轨迹与目标航迹的最大偏差可以控制在10,m以内.     

船舶航向跟踪系统自适应滤波反步终端滑模控制

针对船舶航向非线性系统,提出了一种基于自适应滤波反步法的终端滑模控制器. 系统由二阶非线性野本模型和舵机响应模型串联组成,考虑了模型不确定性和外部干扰等未知项,并由模糊系统对未知项进行在线逼近. 首先引入二阶低通滤波器,避免了对虚拟控制律的解析求导,从而简化了反步控制器的设计,而且滤波器的低通特性可大大减小测量噪声的影响;然后利用滤波反步法的结果设计了终端滑模面,并最终得到了使系统跟踪误差有限时间收敛的终端滑模控制器. 根据Lyapunov理论证明了闭环系统所有误差变量均是一致最终有界的. 仿真结果验证了所提方法的有效性.      

机械臂位置跟踪自适应反演滑模控制律设计

针对机械臂位置跟踪控制问题,设计了一种新型自适应反演滑模控制律。该方法利用机械臂各关节的位置和速度误差建立了滑模面函数,并根据反演原理设计了反演滑模控制律。然后,通过设计合适的自适应律对外部扰动进行在线补偿,降低了系统对外部扰动的敏感性,有效地抑制了系统的抖振。最后利用Lyapunov定理证明了系统的稳定性。仿真结果说明该控制律具有较好的控制性能。     

基于模糊神经网络的无人水下航行器航迹跟踪控制

针对外界扰动的无人水下航行器航迹跟踪控制问题,通过定义一个动态滑模面,结合Lyapunov稳定性理论,设计航迹跟踪滑模控制器.考虑到系统中存在的未建模动态,在保证不引入模型参数的前提下,采用模糊神经网络在线逼近理想滑模控制律,并根据Lyapunov稳定性理论及投影算法得出模糊神经网络的参数自适应律.理论分析证明闭环控制系统的一致渐近稳定性、所有变量的有界性及跟踪误差及其导数渐近趋向于零.仿真实验验证了所提控制策略的有效性.     

基于双体结构的无人测绘艇航向控制

无人艇在海洋测绘中的应用越来越广泛,而航向稳定性是实现其自主航行的重要基础。设计了一种双体结构的无人测绘艇,用于搭载测量设备并实现测绘功能。为了实现无人艇的航向控制,将RBF(radial basis function)神经网络与PID(proportion integration differentiation)算法相结合,利用RBF神经网络的自学习能力实现对PID控制器参数的整定。在仿真过程中,将RBF-PID自适应模型、单一PID模型以及作为对照组引入的BP-PID自适应模型分别仿真,并在同一时刻加入随机扰动,观察系统响应效果。结果表明,基于RBF-PID算法的无人艇航向控制器的超调量为零、稳态时间最短,同时能够及时有效地纠正随机扰动的影响,保障无人测绘艇的航向稳定性。     

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。     

电动静液作动器的自适应变阻尼滑模控制

针对电动静液作动器（EHA）死区影响和参数不确定性造成的扰动问题,在变阻尼滑模控制（DV-SMC）的基础上提出了一种新型自适应变阻尼滑模（ADV-SMC）控制方法.该方法通过滑模控制的鲁棒性克服摩擦和外部扰动的影响,同时采用变阻尼方法抑制阶跃响应的超调,通过引入跟踪误差驱动的参数自适应律在线估计系统未知参数来抑制参数不确定性,进一步提高系统的位置跟踪性能.在稳定性证明的基础上,通过仿真分析验证了本文所提出控制策略的有效性.      

船桨综合负载下基于USV的一种PMSM推进系统滑模变结构控制

以无人水面艇(USV)的永磁同步推进电机(PMSM)及其螺旋桨负载特性为研究对象,在PMSM推进系统中引入滑模变结构控制以进一步提高USV推进系统的动态性能.MATLAB/Simulink仿真分析验证了设计的滑模变结构控制USV推进系统方案的正确性和有效性.仿真实验结果表明,在船桨综合负载下的PMSM推进系统中,采用滑模变结构控制器不仅克服了传统PI控制器中参数难以整定、动态过程中转速及转矩超调大等缺点,而且增强了USV推进系统在复杂海况下的抗干扰能力,提高了系统的动静态性能.     

基于新型趋近律和扰动观测器的永磁同步电机滑模控制

为了提高永磁同步电机的转速控制性能,克服扰动对伺服控制的影响,提出了一种基于新型趋近律和扰动观测器的滑模控制方法.设计了一种新型趋近律,以解决传统趋近律滑模面趋近时间和系统抖振之间的矛盾,提高系统响应快速性.综合考虑系统存在内部参数摄动和外部负载扰动,设计了滑模扰动观测器,并将观测值前馈补偿到速度控制器输出端;将观测器切换增益设计为扰动观测误差的函数,以削弱滑模观测值抖振.仿真结果显示,与传统趋近律相比,采用新型趋近律可有效提高系统的响应速度,快速准确的跟踪速度阶跃信号;滑模观测器可准确的观测系统扰动的变化;当系统加入负载扰动时,PI控制最大转速波动值为75 r·min-1,而基于新型趋近律和扰动观测器的滑模控制最大转速波动值较小为30 r·min-1,鲁棒性更好.实验结果显示,采用基于新型趋近律和扰动观测器的滑模控制方法可以快速跟踪400 r·min-1的速度指令,调节时间为0.12 s,稳态跟踪误差为±4 r·min-1,且转速无超调;滑模观测器可准确无超调的估计系统扰动值,进一步提高系统的抗扰动性能;当电机以400 r·min-1稳速运行时,加入0.6 N·m的负载扰动,基于新型趋近律和扰动观测器的滑模控制方法最大转速波动为23 r·min-1,与PI控制相比,转速波动减小了8%.上述仿真和实验结果具有较好的一致性,表明基于新型趋近律和扰动观测器的滑模控制方法可以有效抑制滑模控制系统的抖振,提高转速控制系统的鲁棒性和动态响应性能.     

基于速度障碍法和动态窗口法的无人水面艇动态避障

速度障碍法是一种普遍应用在无人水面艇(unmanned surface vehicle,USV)上的动态避障方法,但传统的速度障碍法未考虑无人水面艇运动学性能与障碍物运动信息误差的影响,也未明确何时开始避障与结束避障.在速度障碍法的基础上,用椭圆表示无人水面艇与障碍物,给出一种求解椭圆切线的方法;将动态窗口法与速度障碍物法相结合,考虑无人水面艇的运动学性能,只使用无人水面艇在给定时间内能到达的速度和方向进行避障计算;通过比较碰撞时间与无人水面艇避开障碍物所需的时间来确定何时开始避障,并提出一种结束避障的判断方法;为了减小障碍物运动信息误差的影响,提出了一种虚拟障碍物方法.最后,通过仿真实验验证了该避障方法的可行性与有效性.     

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。     

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。     

机器人的自适应神经全局滑模轨迹跟踪控制

针对具有不确定性的机器人系统,提出一种自适应神经全局滑模轨迹跟踪控制方案.控制器采用一种新的全局滑模面,使得系统在整个响应时间内都具有鲁棒性;并基于径向基函数神经网络自适应学习不确定性的未知上界,从而自适应调整控制律的切换增益.而且基于Lyapunov稳定性理论证明这种新型控制器能够保证机器人系统关节角位置矢量和角速度矢量的跟踪误差渐近收敛于0.仿真结果表明提出的控制策略能够使机器人系统仅在0.5 s内就实现快速的轨迹跟踪,可见该方案是可行且有效的.