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艉滑道式无人艇回收路径规划与航迹跟踪控制算法研究

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艉滑道式无人艇回收路径规划与航迹跟踪控制算法研究

作者：刘祥华中科技大学

学位级别：硕士

水面无人艇（Uumanned Surface Vehicle,USV）是一种无人驾驶智能水面船舶,广泛应用于海洋资源开发等各领域。艉滑道式回收是当前USV自主收放技术应用最广泛方案之一,开展基于艉滑道收放的USV自主回收算法研究对于开拓USV应用场景意义... 详细信息

水面无人艇（Uumanned Surface Vehicle,USV）是一种无人驾驶智能水面船舶,广泛应用于海洋资源开发等各领域。艉滑道式回收是当前USV自主收放技术应用最广泛方案之一,开展基于艉滑道收放的USV自主回收算法研究对于开拓USV应用场景意义重大。本文围绕USV回收路径规划和航迹跟踪控制两大关键技术展开研究。在路径规划层面,本文提出了三维稀疏A（3D Sparse A,3DS-A）路径规划算法。为满足复杂回收水域动态避障需求,将时间维度引入规划空间,以三维空间解析几何干涉检测原理实现动态避碰。为避免因升维导致时空复杂度过大,设计了稀疏均匀采样实现A节点剪枝。此外,3DS-A在节点生成阶段以USV运动学约束构造下一节点可行域,将USV运动约束条件融合进规划算法。数值仿真表明,3DS-A在路径平滑性、经济性、对中性和实时性上有较大优势。在航迹跟踪控制层面,本文基于分层思想分别对制导律和控制律展开研究。首先基于视线法（Line Of Sight,LOS）先后设计了AV-LOS和3D-LOS制导律,对期望航速的解算进行了细致讨论,提升了制导律在带时间约束轨迹跟踪的准确性和航迹纠偏能力。在此基础上,针对双螺旋桨USV运动控制,以常规PID方法设计了USV航向航速控制器,结合深度强化学习理论设计了DDPG-PID控制器简化PID参数整定工作。基于Simulink仿真平台对以上制导律和控制律进行了可行性验证和性能分析。本文通过湖面试验开展了USV回收算法验证,结果证明了3DS-A和3D-LOS在复杂回收场景下的有效性。本文工作为USV自主回收算法研究及系统设计提供了指导,具有较好工程应用价值。

关键词：无人艇自主引导回收路径规划航迹跟踪实时避障

基于终端滑模的欠驱动水面船舶航迹跟踪及编队控制

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基于终端滑模的欠驱动水面船舶航迹跟踪及编队控制

作者：王昱棋大连海事大学

学位级别：硕士

大多数承担海上运输任务的船舶,现如今仍旧依赖螺旋桨作为主推进器及舵作为转向装置推进和操纵船舶,部分船舶虽然装有侧推器,但是仅在低速靠离泊情况下使用。因而,当需要对三自由度下的船舶运动进行控制时,只能依靠螺旋桨产生的纵向推... 详细信息

大多数承担海上运输任务的船舶,现如今仍旧依赖螺旋桨作为主推进器及舵作为转向装置推进和操纵船舶,部分船舶虽然装有侧推器,但是仅在低速靠离泊情况下使用。因而,当需要对三自由度下的船舶运动进行控制时,只能依靠螺旋桨产生的纵向推进力和舵产生的转艏力矩,即此类运动控制问题属于欠驱动系统的研究范畴。众所周知,欠驱动水面船舶运动控制系统具有高度非线性、非完整性、模型不确定性、外界干扰等特性,如何利用非线性控制理论及相关智能控制算法来解决上述问题,已成为近年来船舶运动控制领域专家学者研究的热点。为此,在对国内外有关欠驱动水面船舶航迹跟踪和编队控制的研究成果进行深入研究与分析的基础之上,先后设计了航迹跟踪控制器和编队控制器,具体的工作内容如下:第一,采用终端滑模控制方法,引入辅助线性滑模面,设计了一种航迹跟踪控制器,该方法避免了控制器的奇异问题,且使船舶能够在有限时间内跟踪并维持期望的轨迹,利用有限时间李雅普诺夫稳定性理论证明了终端滑模控制方法的有限时间收敛性以及控制系统的稳定性。仿真结果表明了所提出控制算法的有效性。第二,基于领导-跟随船舶编队控制结构,运用代数图论、矩阵理论和终端滑模控制方法,设计了一种欠驱动船舶编队控制器,解除了外界干扰上界已知有界的限制,使船队按照预想的队形和轨迹航行,随后利用有限时间李雅普诺夫稳定性理论证明了该控制算法的有限时间收敛性及稳定性。通过MATLAB软件对控制算法的有效性进行了验证。第三,对本文的工作内容进行梳理、总结,归纳了几个欠驱动水面船舶航迹跟踪和编队控制中需要解决的问题及未来研究方向。

关键词：欠驱动水面船舶终端滑模航迹跟踪编队控制

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小型无人直升机航迹跟踪及导航控制研究

小型无人直升机航迹跟踪及导航控制研究

作者：党松琳南昌航空大学

学位级别：硕士

近年来,小型无人直升机及其相关技术得到了快速发展,被应用于军事和民用的许多领域。小型无人直升机具有可垂直起降,机动性高,续航时间长等特点,但是其内外部结构较为复杂,整体呈现静不稳定性,状态参数之间存在强耦合,系统高度非线性,... 详细信息

近年来,小型无人直升机及其相关技术得到了快速发展,被应用于军事和民用的许多领域。小型无人直升机具有可垂直起降,机动性高,续航时间长等特点,但是其内外部结构较为复杂,整体呈现静不稳定性,状态参数之间存在强耦合,系统高度非线性,这些因素都给小型无人直升机飞行控制系统的设计带来了较大的挑战,也制约了小型无人直升机更进一步的广泛应用。本文基于小型无人直升机的飞行动力学结构特性给出了其非线性和线性模型,对于线性模型,采用了一种姿态-位置的内外环飞行控制回路,并采用H方法对控制率进行求解以提高系统控制的鲁棒性,对于非线性模型,则采用反步法对各子系统飞行控制率进行推导,并结合观测器对扰动进行预估抑制,最后将飞行控制系统与航迹规划算法进行融合,构建了小型无人直升机的自主导航策略,并借助粒子群方法对自主导航系统的相关参数进行了优化。本文主要研究内容如下:1.无人直升机数学模型的建立。基于无人直升机的飞行动力学特征,建立了无人直升机的力和力矩方程、运动学方程和刚体动力学方程,总结归纳后得到了无人直升机的机理模型。将该机理模型经过一定简化,则得到目前使用较为广泛的非线性模型形式;而通过小扰动法对机理模型进行线性化处理,则得到了无人直升机的线性模型。无人直升机的线性和非线性模型是飞行控制系统和自主导航系统搭建的基础。2.将H鲁棒控制率应用到无人直升机的姿态和位置控制中。首先采用H控制给出了线性时不变系统静态输出反馈的具体形式,接着通过一种高效的数值解法对输出反馈的增益系数矩阵进行求解,最后将其应用到无人直升机内外环的控制回路中,并通过数值仿真对控制器的性能进行了验证。3.将反步控制与扰动观测器结合,对内外部扰动作用下的无人直升机非线性模型进行控制。首先采用反步控制策略对非线性模型下含扰动项的各个子系统的控制率进行了递归求解,接着借助李雅普诺夫第二定理对反步控制率的稳定性进行了理论证明,对于反步控制率中存在的扰动项通过观测器进行预估,最后通过阶跃信号的跟踪仿真,验证了该控制策略的动态响应性能、航迹跟踪能力和扰动抑制能力。4.建立无人直升机飞行控制系统与航迹规划算法相结合的自主导航控制策略。首先建立飞行控制系统与航迹规划算法结合的导航控制回路,接着通过数值仿真对导航控制策略的可行性进行验证,然后改进算法完善导航控制策略,最后借助粒子群优化算法对导航控制回路的相关参数进行择优。

关键词：小型无人直升机 H∞鲁棒控制反步控制航迹跟踪自主导航

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无人艇直线航迹跟踪算法优化设计

舰船科学技术 2022年第3期44卷 57-62页

作者：赵俊波葛锡云周宏坤中国船舶科学研究中心江苏无锡214082

为解决无人艇(USV)直线航迹跟踪工程应用中的航迹转向阶段航向角波动大、航向角曲线不平缓的问题,考虑到航迹切换点圆半径参数R对航向角曲线平缓度的影响,本文以参数R为优化对象,并以横向偏差累积结果为目标函数,提出一种基于二分法查... 详细信息

为解决无人艇(USV)直线航迹跟踪工程应用中的航迹转向阶段航向角波动大、航向角曲线不平缓的问题,考虑到航迹切换点圆半径参数R对航向角曲线平缓度的影响,本文以参数R为优化对象,并以横向偏差累积结果为目标函数,提出一种基于二分法查找的参数寻优方法,并且以经典的基于LOS制导律与PID控制律的航迹跟踪算法为设计基础,给出了航迹跟踪算法优化设计方案。最后,通过Matlab仿真验证了本文设计方法的有效性。仿真结果表明,本文的优化算法适用于USV直线航迹跟踪问题,并且能使USV在航迹转向阶段快速且平稳地跟踪下一段期望航迹。

关键词：无人艇USV 航迹跟踪 LOS制导律二分法查找

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气力推进艇航迹跟踪控制建模及仿真分析

船舶工程 2019年第3期41卷 87-91页

作者：詹长书李宏刚李洪亮储江伟东北林业大学交通学院哈尔滨150040

在对气力推进艇的运行阻力进行分析的基础上,给出气力推进艇在惯性坐标系x Oy中的受力状态,并建立航迹跟踪的动力学和运动学控制模型。基于控制模型建立应用PID控制器的Simulink仿真模型;结合研究对象的特征选择相应的仿真参数,在多次... 详细信息

在对气力推进艇的运行阻力进行分析的基础上,给出气力推进艇在惯性坐标系x Oy中的受力状态,并建立航迹跟踪的动力学和运动学控制模型。基于控制模型建立应用PID控制器的Simulink仿真模型;结合研究对象的特征选择相应的仿真参数,在多次调试优化的基础上确定PID控制器的设计参数,并对圆形封闭轨迹、直线轨迹和阶跃轨迹的航迹跟踪效果进行仿真分析。结果表明:对于圆形封闭轨迹跟踪,在初始的1/4周期内跟踪误差较大,此后的持续跟踪效果良好;对于直线开放型轨迹跟踪,跟踪误差较小,可控制在1 m以内;对于阶跃轨迹跟踪,过渡过程响应时间为10 s,稳态误差为1 m。

关键词：气力推进艇航迹跟踪动力学建模仿真分析

基于Backstepping的非线性船舶航迹跟踪控制器设计

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科学技术与工程 2012年第13期20卷 3146-3149,3154页

作者：金小婷杜佳璐汤占军昆明理工大学控制工程专业昆明650051 大连海事大学信息科学技术学院大连116026 昆明理工大学信息工程与自动化学院昆明650233

针对船舶动态存在大惯性、时滞、非线性等特点,和船舶航行中易受海风、海浪、洋流等环境因素的影响的问题,考虑三自由度非线性船舶运动数学模型。基于Backstepping设计思想,设计了具有全局渐近稳定的船舶航迹跟踪控制器。Simu-link仿真... 详细信息

针对船舶动态存在大惯性、时滞、非线性等特点,和船舶航行中易受海风、海浪、洋流等环境因素的影响的问题,考虑三自由度非线性船舶运动数学模型。基于Backstepping设计思想,设计了具有全局渐近稳定的船舶航迹跟踪控制器。Simu-link仿真结果表明,船舶实际航迹能够跟踪期望航迹,达到了满意的控制效果,验证了所设计控制器的有效性。

关键词：航迹跟踪非线性三自由度 Backstepping

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基于广义预测控制的无人艇航迹跟踪研究

基于广义预测控制的无人艇航迹跟踪研究

作者：刘恒志河南大学

学位级别：硕士

目前,世界各国围绕海洋权益的争夺日益升温,世界大国正将目光转向海洋。随着科技的发展,无人化、智能化的设备越来越多,适应这一趋势的水面无人艇受到世界各大国的重视。无人艇作为一种无人智能海洋运载平台,可以在复杂的水域环境中自... 详细信息

目前,世界各国围绕海洋权益的争夺日益升温,世界大国正将目光转向海洋。随着科技的发展,无人化、智能化的设备越来越多,适应这一趋势的水面无人艇受到世界各大国的重视。无人艇作为一种无人智能海洋运载平台,可以在复杂的水域环境中自主航行与作业,并且它具有较好的操作性、控制性、灵活性和可靠性。它在未来战争、海洋科研中都是较好的选择。在领海监视、海洋研究、海图绘制、通信中继、等领域有极广的应用前景。在船舶运动控制领域,船舶的航迹跟踪控制一直是重点研究的课题。虽然目前国内对水面无人艇航机跟踪的研究有不少,但是大部分是停留在理论研究仿真阶段。本文将采用理论分析、模型仿真以及实物验证相结合的方式,对水面无人艇的航迹跟踪控制器进行设计,同时在实物无人艇上对算法进行验证以实现航迹跟踪的目标。无人艇的航迹控制方式直接和间接两种方式,由于在直接控制方式中很难获得模型的动态参数,所以本文选择使用间接航迹控制方式。这种算法的算法结构相对简单,同时在技术上比较可靠,在工程上比较容易实现。间接航迹控制方式,在控制器设计时需要分别考虑设计航迹控制器和航向控制器。根据无人艇航迹跟踪系统设计的要求,本文主要分为船舶模型建立、航向控制器设计与仿真、航迹跟踪控制器设计与仿真、航迹跟踪算法的实物验证四部分。首先,本文通过建立坐标系入手,对船舶进行受力分析,建立船舶六自由度方程,然后通过简化将模型变为船舶水面三自由度方程,根据Abkowitz提出了小扰动和Taylor展开方法进行简化计算,将船舶模型化为K-T方程,为航迹跟踪控制提供数学模型。其次,航向控制的方法有很多种,通过对各种算法进行比较,本文采用的是广义预测控制的算法进行航向控制。GPC以预测模型为基础,采用在每个采样点的有限采样时间内不断向前滚动优化,并利用实际测量数据通过反馈校正控制量误差,克服系统由于参数变化、干扰等因素引起的模型变化和系统的不确定性。本文先对广义预测算法进行理论推导,然后设计控制策略。根据建立好的船舶模型,在输入给定的航向角后,对模型的输出进行预测,预测出参考轨迹,由控制器发出指令舵角,船舶开始运动,然后将船舶当前状态下的舵角反馈给控制器,对原来的指令舵角进行优化及校正。然后,本文采用的是LOS导航算法对航迹控制器进行设计。LOS导航算法利用位置高效地获取期望航向角,期望航向的获取独立于动力学控制器,只与实际位置和给定航迹有关。该算法利用了船舶位置与期望位置之间简单的几何关系判断可视性,然后得出期望航向角。将船舶的位置和舵角分别反馈给LOS算法和GPC控制器,LOS计算出期望航向角,GPC控制器跟踪该航向角,得到新的指令舵角,重复上述操作就实现了船舶航迹的连续跟踪。最后,将设计的基于广义预测控制的航迹跟踪控制器应用到HUSTER-12s无人艇航迹跟踪控制中。实船实验结果表明了该方法在实际水域环境下的可行性和有效性,而且控制精度高,具有实用价值。

关键词：无人艇航迹跟踪广义预测控制 LOS导航算法

基于航向制导与控制的无人艇航迹跟踪算法研究及实现

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基于航向制导与控制的无人艇航迹跟踪算法研究及实现

作者：申继鹏华东师范大学

学位级别：硕士

无人艇(Unmanned Surface Vehicle,USV)是一种可在复杂水面环境中自动巡航、自主执行多种任务的新型载体。随着航海领域内的国际形势变化以及大众对于民用智能化无人艇的强烈需求,如何保障无人艇在水面运动轨迹的准确性和可靠性逐渐成... 详细信息

无人艇(Unmanned Surface Vehicle,USV)是一种可在复杂水面环境中自动巡航、自主执行多种任务的新型载体。随着航海领域内的国际形势变化以及大众对于民用智能化无人艇的强烈需求,如何保障无人艇在水面运动轨迹的准确性和可靠性逐渐成为研究关键技术之一。由于无人艇在自主运动中,容易受到风、浪、流等外界因素干扰,加之具有非线性运动的特点,因此研究无人艇的航迹跟踪对拓展海洋开发潜力,保障作业人员生命安全具有重大意义。传统的无人艇航迹跟踪方法存在建立模型困难、参数难以整定、控制方式单一等问题,因此需要对无人艇的航迹跟踪方法进行进一步研究,本文主要研究内容如下:(1)提出了一种可自适应调整参考位置切换半径的L1航向制导算法。该航向制导方法不依赖于无人艇具体模型,可根据航迹参考位置点与航速计算出无人艇实时运动航向并根据航向角变化进行自适应调整,引导无人艇进行航迹跟踪。(2)设计了基于BP神经网络的增量式PID算法用于无人艇航向的控制。同时使用增加惯性项和多级带死区阈值算法对上述算法优化,有效提高了无人艇航向控制精度与稳定性。(3)设计了无人艇航迹跟踪控制系统及进行了静水航迹跟踪实验。该系统由软硬件系统组成,部署于小型低速无人艇上。经实验验证,航迹跟踪达到了较理想的效果。

关键词：无人艇航迹跟踪 L1算法 BP神经网络PID 控制系统设计

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无人机航迹跟踪控制方法研究

无人机航迹跟踪控制方法研究

作者：吴国强哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

无人机在民用和军用领域都有越来越广泛的应用,无人机的发展也引起了各国的重视,而航迹跟踪控制在无人机飞行过程中的作用尤为重要,能够进一步改善无人机的动态性能,为无人机能够安全地、高效地完成各项任务提供了有力保障。针对于此,... 详细信息

无人机在民用和军用领域都有越来越广泛的应用,无人机的发展也引起了各国的重视,而航迹跟踪控制在无人机飞行过程中的作用尤为重要,能够进一步改善无人机的动态性能,为无人机能够安全地、高效地完成各项任务提供了有力保障。针对于此,本文对无人机的航迹跟踪控制方法进行了研究,并对其进行了大量的仿真分析。首先,为了方便对无人机进行分析,本文介绍了所用的各个坐标系以及各个坐标系之间的转换关系。通过分析无人机所受的力及力矩,建立了无人机的6DOF数学模型,在此基础上,应用小扰动线性化的基本理论,对无人机分别进行纵向和横侧向的线性化处理,为本文后续对无人机航迹跟踪控制的研究奠定了基础。其次,本文对经典PID和BP神经网络PID控制算法进行了研究,对传统BP神经网络PID控制算法进行了改进,进一步改善了其自适应能力,并分别将两种控制方法应用在了无人机的航迹跟踪控制中。然后对无人机的纵向航迹跟踪控制和横侧向航迹跟踪控制分别进行了设计研究,在设计过程中,通过“先内后外”的设计原则,即先设计航迹跟踪的内回路——姿态(俯仰姿态或倾斜姿态)控制,然后在此基础上设计航迹跟踪的外回路。同时,进行了大量的仿真分析,结果显示本文设计的航迹跟踪控制能够很好的跟踪纵向或横侧向偏差。最后,本文设计了无人机航迹跟踪仿真平台,能够通过三维仿真的效果更加形象的演示无人机的航迹跟踪过程。同时,针对无人机在既有纵向偏差又有横侧向偏差的情况,本文通过纵向和横侧向加权的方法进行航迹跟踪,而后,对无人机航迹跟踪分别进行了纵向和横侧向不同权值情况下的综合仿真,对各仿真结果进行了比较分析。

关键词：无人机航迹跟踪飞行控制 PID BP神经网络PID 仿真