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欠驱动自治水面船的全局K-指数镇定控制方法

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哈尔滨工程大学学报 2011年第4期32卷 417-422页

作者：廖煜雷庞永杰张铁栋哈尔滨工程大学水下智能机器人技术国防科技重点实验室黑龙江哈尔滨150001

针对欠驱动自治水面船的镇定控制问题,提出了一种光滑时变反馈镇定控制律.基于全局微分同胚坐标变换将欠驱动自治水面船的数学模型转化为级联形式的非线性系统,并证明了原系统的镇定问题可简化为级联子系统的镇定问题.通过在状态反馈控... 详细信息

针对欠驱动自治水面船的镇定控制问题,提出了一种光滑时变反馈镇定控制律.基于全局微分同胚坐标变换将欠驱动自治水面船的数学模型转化为级联形式的非线性系统,并证明了原系统的镇定问题可简化为级联子系统的镇定问题.通过在状态反馈控制律中增加指数收敛控制项,获得了具有指数收敛速率的时变光滑镇定控制律,并证明该控制律能保证原系统的全局K-指数稳定性.该方法克服了当前许多控制律存在非连续、不光滑、受初始条件限制或需切换的缺点.仿真结果验证了所提出控制律的有效性,试验表明控制器的超调小、收敛快,具有良好的动态性能.

关键词：自治水面船欠驱动光滑时变反馈全局指数镇定级联系统

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无人艇运动控制方法的回顾与展望

中国造船 2014年第4期55卷 206-216页

作者：廖煜雷张铭钧董早鹏刘鹏哈尔滨工程大学水下机器人技术国家重点实验室哈尔滨150001

无人艇具有巨大的军事和工程应用前景,尤其是在维护国家海洋安全和海洋开发等方面将发挥不可替代的作用。因此无人艇日益成为了国内外的研究热点,其中无人艇的运动控制技术是实现其工程应用的基础。文中针对无人艇的运动控制问题,从全... 详细信息

无人艇具有巨大的军事和工程应用前景,尤其是在维护国家海洋安全和海洋开发等方面将发挥不可替代的作用。因此无人艇日益成为了国内外的研究热点,其中无人艇的运动控制技术是实现其工程应用的基础。文中针对无人艇的运动控制问题,从全驱动控制和欠驱动控制角度,分别阐述了国内外主要研究成果,其中欠驱动控制主要包括:镇定控制、轨迹跟踪和路径跟踪三个方面。总结了无人艇运动控制方法目前存在的主要问题,并对未来的研究方向进行了展望。

关键词：无人艇运动控制欠驱动镇定控制跟踪控制

喷水推进型无人水面艇的嵌入式运动控制系统研究

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高技术通讯 2012年第4期22卷 416-422页

作者：廖煜雷万磊庄佳园哈尔滨工程大学水下智能机器人技术重点实验室哈尔滨150001

针对无人水面艇（USV）系统因其强非线性和不确定性且难以建立精确的数学模型而难以控制的问题，进行了嵌入式运动控制研究。为某单泵喷水推进型无人水面艇设计了嵌入式运动控制系统，分别从软件和硬件两个方面实现了该嵌入式控制系统... 详细信息

针对无人水面艇（USV）系统因其强非线性和不确定性且难以建立精确的数学模型而难以控制的问题，进行了嵌入式运动控制研究。为某单泵喷水推进型无人水面艇设计了嵌入式运动控制系统，分别从软件和硬件两个方面实现了该嵌入式控制系统的体系结构。为了满足嵌入式无人水面艇控制系统对数据处理实时性和可靠性的需求，在S面运动控制器的基础上引入了α-β-γ滤波器。海试和湖试试验结果表明所设计的控制器和滤波器具有良好的控制性能，试验验证了该控制系统的可行性和可靠性。

关键词：无人水面艇(USV) 运动控制嵌入式系统 S面控制 α-β-γ滤波器

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基于改进人工鱼群算法的无人艇控制参数优化

哈尔滨工程大学学报 2014年第7期35卷 800-806页

作者：廖煜雷刘鹏王建张铭钧哈尔滨工程大学水下机器人技术重点实验室黑龙江哈尔滨150001 哈尔滨工程大学机电工程学院黑龙江哈尔滨150001

针对欠驱动无人艇控制系统的参数优化问题,基于改进人工鱼群算法,提出了一种非线性控制系统的参数优化策略。首先考虑了人工鱼群算法存在的求解精度低、盲目搜索、收敛缓慢等问题,提出了一种改进人工鱼群算法。然后分别以最小跟踪误差... 详细信息

针对欠驱动无人艇控制系统的参数优化问题,基于改进人工鱼群算法,提出了一种非线性控制系统的参数优化策略。首先考虑了人工鱼群算法存在的求解精度低、盲目搜索、收敛缓慢等问题,提出了一种改进人工鱼群算法。然后分别以最小跟踪误差、最小能量消耗为性能指标,利用改进的人工鱼群算法,对欠驱动无人艇的跟踪控制器进行参数优化。数值仿真试验结果表明:无人艇实现了对期望轨迹的跟踪,并具有良好的控制性能,试验结果验证了所提算法的可行性和有效性。

关键词：人工鱼群算法参数优化无人艇运动控制轨迹跟踪

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面向无人艇自主靠泊的分层轨迹规划与试验

哈尔滨工程大学学报 2019年第6期40卷 1043-1050页

作者：李晔贾知浩张伟斌廖煜雷哈尔滨工程大学水下机器人技术重点实验室黑龙江哈尔滨150001 云洲智能科技有限公司广东珠海519000

针对小型无人艇在自主靠泊时的轨迹规划任务,分别考虑远端和码头末端2阶段的主要影响因素,本文提出基于环境障碍、泊位及艇体动力学等多约束分析的分层人工势场轨迹规划方法,完成面向无人艇自主靠泊的轨迹规划任务。考虑小型无人艇自身... 详细信息

针对小型无人艇在自主靠泊时的轨迹规划任务,分别考虑远端和码头末端2阶段的主要影响因素,本文提出基于环境障碍、泊位及艇体动力学等多约束分析的分层人工势场轨迹规划方法,完成面向无人艇自主靠泊的轨迹规划任务。考虑小型无人艇自身体型较小、在低速靠泊状态下机动性较差、水域受限等导致的自主靠泊难题,提出基于靠泊约束分析的改进人工势场法,解决传统人工势场法中存在的弯角过大、艏向输出振荡和局部极小点问题。同时,考虑靠泊后期目标泊位及水域受限因素对无人艇艏向、速度的约束,使无人艇能够沿规划轨迹自主安全地完成靠泊任务。通过与传统人工势场法的仿真结果对比,验证该方法具有更好的轨迹规划性能;并基于“海豚-Ⅰ”号小型无人艇完成自主靠泊外场试验,检验所提出方法的有效性和可行性。

关键词：无人艇动力学约束分析分层规划轨迹规划人工势场受限水域靠泊

欠驱动无人艇直线航迹跟踪的反步自适应动态滑模控制

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高技术通讯 2013年第6期23卷 598-604页

作者：廖煜雷常文田刘涛哈尔滨工程大学水下机器人技术国家重点实验室哈尔滨150001

针对喷水推进型欠驱动无人艇的由艇艏摇非线性响应模型和舵机伺服系统组成的直线航迹控制系统,在考虑模型参数不确定性和外界干扰随机性特点的情况下,研究了一种反步自适应动态滑模控制方法。首先利用全局微分同胚坐标变换将原系统转化... 详细信息

针对喷水推进型欠驱动无人艇的由艇艏摇非线性响应模型和舵机伺服系统组成的直线航迹控制系统,在考虑模型参数不确定性和外界干扰随机性特点的情况下,研究了一种反步自适应动态滑模控制方法。首先利用全局微分同胚坐标变换将原系统转化为具有下三角特征的非线性系统,然后基于反步设计法和动态滑模控制理论,设计了反步自适应动态滑模控制器,并利用Lyapunov稳定性理论,证明在该控制器的作用下,直线航迹控制系统是全局渐近稳定的。仿真对比试验表明,该控制器对模型摄动和外界干扰不敏感,具有强鲁棒性和自适应性。

关键词：欠驱动无人艇(USV) 航迹跟踪动态滑模控制反步

考虑能量捕获的新型海洋机器人节能局部路径规划

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中国造船 2023年第6期64卷 225-239页

作者：廖煜雷李可赵永波刘骁锋张家华哈尔滨工程大学水下机器人技术重点实验室哈尔滨150001 哈尔滨工程大学三亚南海创新发展基地三亚572024

新型海洋机器人能够有效捕获能量,减少能源消耗,提高续航能力。论文基于A3C算法,提出一种考虑能量捕获的海洋机器人节能局部路径规划算法。根据“驭浪者”号的能源系统和运动特性,考虑海流和海风对海洋机器人的影响,建立能耗模型,结合A3... 详细信息

新型海洋机器人能够有效捕获能量,减少能源消耗,提高续航能力。论文基于A3C算法,提出一种考虑能量捕获的海洋机器人节能局部路径规划算法。根据“驭浪者”号的能源系统和运动特性,考虑海流和海风对海洋机器人的影响,建立能耗模型,结合A3C算法设计趋近目标奖励函数和避障奖励函数,得到距离最优的局部路径规划(DOA3C)算法;考虑新型海洋机器人对风能和太阳能的捕获,建立能量捕获模型。依据能耗模型和能量捕获模型,设计节能奖励函数,采用A3C算法得到能源最优的局部路径规划(EOA3C)算法。通过仿真试验,对比DOA3C和EOA3C算法在相同海洋环境下的能耗情况,验证算法的可行性和有效性。

关键词：海洋机器人局部路径规划 A3C算法能源最优

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考虑风能捕获的NSV长航时路径规划方法

中南大学学报（自然科学版） 2021年第9期52卷 3212-3222页

作者：贾琪廖煜雷庞硕王博李姿科张蔚欣哈尔滨工程大学水下机器人技术重点实验室黑龙江哈尔滨150001

针对“驭浪者”号自然能驱动机器人(natural-energy-drivenunmannedsurfacevehicle,NSV)在海洋风场中的航线规划问题,首先,提出面向NSV的真实海洋风场可视化建模方法;同时,构建海洋环境能量扩展树和NSV风能捕获模型并结合改进的A*算法,... 详细信息

针对“驭浪者”号自然能驱动机器人(natural-energy-drivenunmannedsurfacevehicle,NSV)在海洋风场中的航线规划问题,首先,提出面向NSV的真实海洋风场可视化建模方法;同时,构建海洋环境能量扩展树和NSV风能捕获模型并结合改进的A*算法,提出考虑风能捕获的路径搜索算法(A*algorithm considering windenergycapture,Wind_A*);最后,通过3组仿真对比试验对Wind_A*算法进行验证。研究结果表明:在真实的海洋风场环境中,Wind_A*算法可规划出无碰撞的高效捕能路径,能耗比传统A*算法计算所得减少8.54%,有效增加了NSV的续航力。

关键词：自然能驱动水面机器人海洋风场能量扩展树 Wind_A*算法

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基于非对称模型的欠驱动USV路径跟踪控制

中国造船 2016年第1期57卷 116-126页

作者：董早鹏万磊廖煜雷李岳明庄佳园哈尔滨工程大学水下机器人技术重点实验室哈尔滨150001 哈尔滨工程大学船舶工程学院哈尔滨150001

针对水面无人艇(unmanned surface vessel,USV)的非对称和欠驱动特性,提出了一种非对称模型下的改进视线法导向路径跟踪控制方法。首先通过对系统进行全局微分同胚变换,解决了由非对称性带来的系统系数矩阵非对角线元素存在非零项的问题... 详细信息

针对水面无人艇(unmanned surface vessel,USV)的非对称和欠驱动特性,提出了一种非对称模型下的改进视线法导向路径跟踪控制方法。首先通过对系统进行全局微分同胚变换,解决了由非对称性带来的系统系数矩阵非对角线元素存在非零项的问题;其次基于目标路径参考点建立坐标系,在视线法中引入跟踪误差函数,使视线法导向角跟随曲线路径自适应调整;然后针对系统的欠驱动特性,以目标路径切线方向速度作为虚拟控制输入,基于反步法和拉塞尔不变原理以及李亚普诺夫稳定性理论,设计了无人艇全局渐近稳定的路径跟踪控制器;最后通过仿真试验验证了所提出方法和所设计控制器的有效性和可靠性。

关键词：水面无人艇非对称模型欠驱动控制路径跟踪反步法视线法