无人水面艇航向跟踪控制器的设计与验证

为解决"蓝信"号无人水面艇的航向跟踪控制问题,设计并实现了一种基于模糊自适应PID的无人水面艇航向跟踪控制器.首先,建立"蓝信"号无人水面艇的数学模型,利用实船操纵数据对其参数进行辨识;其次,在辨识的USV模型基础上,设计一种模糊自适应PID航向跟踪控制器并在干扰环境下进行仿真;最后,采用卡尔曼滤波算法对USV的姿态数据进行融合,设计并实现了"蓝信"号无人水面艇嵌入式航向跟踪控制系统的软硬件.实船验证结果表明,在实际的海洋环境干扰条件下,该航向跟踪控制器具有良好的动静态控制性能和抗干扰能力,可用于"蓝信"号无人水面艇精确和快速的航向跟踪控制.     

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。     

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.     

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.     

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.     

基于航向约束的无人艇位姿保持制导策略

针对欠驱动无人艇位姿保持控制中无法同时兼顾位置和首向角约束的问题,提出了基于航向约束的位姿保持制导策略.首先建立了以无人艇期望位姿为原点的固定坐标系,并将坐标系划分为3个区域:可到达区域A、B和不可到达区域C.在可到达区域内无人艇可依靠前向运动和转首运动回到期望位姿,避免因无法直接产生侧向运动导致首向角变化过大的问题.其次在不同的区域执行不同的制导策略,在制导过程中严格约束无人艇期望航向.最后由制导策略生成的期望速度和期望航向,经由控制器生成执行量,无人艇快速回到期望位姿.基于航向约束的位姿保持制导策略将航向约束由内环控制纳入外环制导,无人艇在不同区域执行不同的制导策略,生成的位姿期望与内环控制相结合,实现了无人艇的位姿保持.外环制导和内环控制约束相结合以兼顾无人艇欠驱动特性,同时简化了控制器设计.仿真实验证明了该制导策略的可行性和有效性.     

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...     

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。     

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。     

网络环境下基于观测器的无人水面艇航向控制研究

控制中心-执行器网络通道中存在的网络诱导时延、数据丢包等网络诱导特性以及外部环境干扰均会对无人艇的水面航行产生影响,进而使系统性能显著降低,航向控制系统稳定性受到影响,提出一种基于观测器的无人艇航向控制准则,以使无人艇在既定航向上快速、稳定地航行。在建立基于网络的无人艇航向控制系统模型的基础上,采用Lyapunov稳定性原理和凸分析方法,对能使网络环境下基于观测器的无人水面艇航向控制系统渐进稳定的控制准则进行推导,设计出基于网络的航向控制器和观测器。仿真实验表明了所提出方法以及设计的控制器、观测器具有较好的性能。     

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。     

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。     

水面无人艇远程控制系统设计与实验

针对海上复杂环境对水面无人艇操纵性能的影响,在风、浪等环境因素干扰下研究基于模糊PID （proportional integral differential）的无人艇航向偏差控制,开发以DSP (digital signal processing) 结合ARM为核心控制器的艇载运动控制系统,采用阿里云服务器、Web服务器、Apache服务器及MySQL数据库,研发无人艇远程控制系统,并集成研发了样船。实验表明,所研发的无人艇远程控制系统具有远程通信、运动控制、状态监测、数据存储和数据共享的功能,能够满足远程通信实时性、运动控制灵活性精确性的设计要求,进一步提高对无人艇航迹控制精度,为近海小型智能船舶的研发奠定基础。     

基于模糊航向制导的AUV航迹控制方法研究

提出了基于模糊航向制导的水下机器人间接航迹控制方法，航向制导环采用模糊算法进行最优艏向实时解算，再以此艏向作为期望航向进行航向控制；为提高系统的鲁棒性和自适应性能，航向控制环采用滑模控制器，最终实现AUV的航迹跟踪，最后，根据此方法进行了航迹跟踪试验，结果表明模糊艏向解算器的航迹控制精度要大大高于PID艏向解算器，并且设计方法易于理解，便于工程设计和应用。     

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.     

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.     

基于深度强化学习的无人艇轨迹跟踪算法研究

针对欠驱动水面无人艇(USV)轨迹跟踪控制问题,提出一种基于近端策略优化(PPO)的深度强化学习轨迹跟踪控制算法．为引导控制器网络的正确收敛,构建基于长短时记忆(LSTM)网络层的深度强化学习控制器,设计了相应的状态空间和收益函数．为增强控制器的鲁棒性,生成轨迹任务数据集来模拟复杂的任务环境,以此作为深度强化学习控制器的训练样本输入．仿真结果表明：所提出的算法能有效收敛,具备扰动环境下的精确跟踪控制能力,有较大的实际应用潜力．     

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。     

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.