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无人水面船在水环境监测领域中的应用进展

无人水面船在水环境监测领域中的应用进展

2023中国水利学术大会

作者：陈学凯董飞彭文启刘晓波王若男曹峰王威浩张剑楠白冰张启文李春斌中国水利水电科学研究院水生态环境研究所水利部京津冀水安全保障重点实验室水利部节约用水促进中心

采用无人水面船开展水环境监测是当前研究和应用的热点,但目前基于无人水面船的水环境监测装备和技术缺乏统一的标准。在应用过程中,对于无人水面船的框架、算法和具体应用尚无法达成共识,亟须开展相关工作梳理和明晰基于无人水面船的... 详细信息

采用无人水面船开展水环境监测是当前研究和应用的热点,但目前基于无人水面船的水环境监测装备和技术缺乏统一的标准。在应用过程中,对于无人水面船的框架、算法和具体应用尚无法达成共识,亟须开展相关工作梳理和明晰基于无人水面船的水环境监测装备需要搭载的设备、嵌套的算法和应用的方向。本研究通过介绍新阶段水利高质量发展中复苏河湖生态环境的需求、传统水环境监测方法的局限性及无人水面船的发展现状,在分析无人水面船在水环境监测领域的优势和基本组成元素的基础上,阐述了无人水面船在水环境监测领域中需要形成的关键技术和应用方面,对研发新一代具有环境感知、自主决策、快速分析的无人水面船具有借鉴意义。

关键词：无人水面船水环境监测标准应用开发

来源： cnki会议评论

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cnki会议

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基于扰动观测器的无人水面船鲁棒轨迹跟踪

电机与控制学报 2016年第12期20卷 65-73页

作者：朱齐丹马俊达刘可哈尔滨工程大学自动化学院黑龙江哈尔滨150001

为实现三自由度无人水面船(USV)在风浪流引起的海洋环境干扰下的轨迹跟踪,设计一种非线性扰动观测器(NDO)和动态面控制(DSC)的鲁棒控制器。首先,提出一种新的NDO来在线估计并补偿外界环境干扰。与传统干扰观测器不同,该扰动观测器具有... 详细信息

为实现三自由度无人水面船(USV)在风浪流引起的海洋环境干扰下的轨迹跟踪,设计一种非线性扰动观测器(NDO)和动态面控制(DSC)的鲁棒控制器。首先,提出一种新的NDO来在线估计并补偿外界环境干扰。与传统干扰观测器不同,该扰动观测器具有有限时间收敛的特点;然后,在运动学回路中利用反演法设计虚拟控制律来镇定跟踪误差,并其通过一阶低通滤波器避免了由对虚拟控制求导而带来的计算复杂性,同时通过NDO对未知海洋干扰进行实时补偿,利用Lyapunov稳定性定理证明了USV闭环系统的误差信号半全局最终一致有界(SGUUB)。最终,仿真实验证明了所设计控制策略的有效性。

关键词：鲁棒控制非线性扰动观测器动态面控制无人水面船轨迹跟踪

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无人水面船路径规划与跟踪控制研究

无人水面船路径规划与跟踪控制研究

作者：魏飞飞哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

无人水面船(Unmanned Surface Vehicle, USV)作为水上机器人的一种。由于其续航能力强、智能化以及多任务等优势,使得它能够在如勘探石油、气象监测、运输等多个领域得到广泛的应用。尤其在恶劣的工作环境下,USV扮演着其他船舶无可替代... 详细信息

无人水面船(Unmanned Surface Vehicle, USV)作为水上机器人的一种。由于其续航能力强、智能化以及多任务等优势,使得它能够在如勘探石油、气象监测、运输等多个领域得到广泛的应用。尤其在恶劣的工作环境下,USV扮演着其他船舶无可替代的角色,因此USV在水上作业中的诸多优越性使得它被广泛的应用在军事与民用的各个领域。本课题以欠驱动无人水面船为对象,对其路径规划和轨迹跟踪问题开展了深入地研究,开展了 USV智能跟踪控制和路径规划的研究,主要内容如下:首先,建立起六自由度和三自由度的USV运动学模型和动力学模型。分析了刚体运动模型、水动力与力矩模型、恢复力与力矩模型、推进器模型;建立了六自由度的USV动力学模型,根据六自由度模型推导出欠驱动水面船舶运动的三自由度运动学和动力学模型。然后对船舶模型进行直航和定常回转实验验证,为后文的设计和研究奠定了基础。其次,为保证USV的安全航行,利用人工势场法对USV进行路径规划设计。在设计过程中,一方面改进了斥力势场函数,克服传统人工势场法在障碍物附近点无法到达目标的缺陷;另一方面在引力势场中加入旋转因子,避免无人水面船陷入局部最小点。最后,对于欠驱动USV,设计了一种基于神经动态模型的反步跟踪控制方法。首先分析了神经元的工作原理并建立了神经动态模型。然后介绍Lyapunov的稳定性原理和反步法基本原理。并且基于神经元模型,将USV的虚拟控制量与动态神经模型相结合,简化了求导运算。设计了新型的轨迹跟踪控制器。对所设计的基于神经动态模型的USV反步跟踪控制器进行仿真验证。给出了仿真效果图并分析了速度信号的跳变问题以及误差收敛性。验证了所设计的控制器的稳定性。综上,本文所开展的欠驱动无人水面船的路径规划和规迹跟踪问题研究,均对现有理论算法进行了改进,并通过仿真验证的所提出改进算法的有效性,为后续研究拓展了新的思路和方向,有着重要的理论研究借鉴意义和工程推广价值。

关键词：无人水面船神经元模型人工势场路径规划控制器

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无人水面船精准航迹跟踪控制研究

无人水面船精准航迹跟踪控制研究

作者：吕帅林大连海事大学

学位级别：硕士

无人水面船具有结构紧凑、操纵灵活、机动性强等优点,在军事、民用、海事和科研等领域已有诸多应用。随着海洋战略的不断实施,无人水面船研发工作正被各国高度重视。航迹跟踪作为执行各种任务的基础,是无人水面船运动控制的一个重要研... 详细信息

无人水面船具有结构紧凑、操纵灵活、机动性强等优点,在军事、民用、海事和科研等领域已有诸多应用。随着海洋战略的不断实施,无人水面船研发工作正被各国高度重视。航迹跟踪作为执行各种任务的基础,是无人水面船运动控制的一个重要研究领域,已成为当前研究热点。若考虑复杂海洋扰动和未建模动态,传统基于模型的控制方法将不再适用,无人水面船的高精度跟踪控制颇具挑战性但更有实际意义。本文基于扰动观测设计有限时间控制技术来解决上述问题,研究不依赖于无人水面船运动模型的有限时间控制方法,实现高精度航迹跟踪控制。首先,本文提出无人水面船积分滑模有限时间控制策略。该策略实现无扰动时无人水面船精准航迹跟踪控制,得到有限时间控制特性,具备更快收敛速度和更高控制精度。闭环稳定性由Lyapunov理论严格保证,且跟踪误差最终为零。仿真结果进一步验证了该控制律的有效性。进而,为消除海洋干扰对无人水面船的影响,本文采用扰动观测技术设计有限时间扰动观测器,并结合负齐次理论设计有限时间航迹控制策略。最终,不仅外部扰动可被有效补偿,实现扰动零逼近误差,而且航迹和航速根据误差均能在有限时间收敛到零。最后通过仿真验证了所设计控制器的有效性和优越性。此外,为使研究更具实际意义,本文又进一步考虑含有未知动态的无人水面船,设计基于不确定观测器的航迹跟踪方法。具体地,将无人水面船未建模水动力特性和外部扰动打包为集总不确定项,并设计不确定观测器,实现精准打包逼近。然后又结合非奇异终端滑模技术设计控制律,实现不依赖于精确无人水面船模型的精准航迹控制。理论和仿真结果均能确保所设计控制律的有效性。

关键词：无人水面船精准航迹跟踪扰动观测器不确定观测器有限时间控制

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无人水面船的路径规划的研究

无人水面船的路径规划的研究

作者：杨栋瑀大连理工大学

学位级别：硕士

在人工智能技术飞速发展的今天,无人水面船作为一种新型的智能船舶出现在人们的视野中。由于无人水面船在海洋领域中的独特作用,使得很多学者对之产生浓厚的研究兴趣。路径规划不仅是整个无人水面船系统的一个子系统,还是整个系统的基础... 详细信息

在人工智能技术飞速发展的今天,无人水面船作为一种新型的智能船舶出现在人们的视野中。由于无人水面船在海洋领域中的独特作用,使得很多学者对之产生浓厚的研究兴趣。路径规划不仅是整个无人水面船系统的一个子系统,还是整个系统的基础,路径规划结果会作为无人水面船控制系统的重要输入参数,其结果的精准性和可执行性都将对无人水面船的实际运行控制产生巨大的影响。路径规划可以分为两个方面:全局规划和局部规划。全局路径规划主要研究的问题是如何根据静态的、整体的环境信息规划出一条在起始点和目标点之间的可行路径;局部路径规划是在以全局路径规划结果的基础上结合无人水面船实际航行过程中的动态信息规划一条避开动态障碍的可行路径。因为全局路径规划在无人水面船研究中占有的重要地位,所以本文对其进行了以下几点的研究:(1)通过查阅国内外大量的文献以及对相关的无人水面船研究机构的调研,对无人水面船及其路径规划的研究现状进行了总结。(2)选取航海专用地图——S-57电子海图作为无人水面船路径规划的环境模型的数据来源,并介绍了两种解析S-57电子海图的方法,通过这两种方法建立无人水面船路径规划的电子海图环境模型。(3)先采用A*算法进行初始路径规划,然后针对传统A*算法的缺点,设计了一种路径节点优化算法,对初始结果中的冗余路径节点进行处理,再然后基于费马螺旋曲线和无人水面船的运动特性对节点优化后的路径进行光顺处理,得到一条方位和曲率连续的路径,最后通过C++编程,对路径规划算法的结果进行分析和总结。

关键词：无人水面船路径规划电子海图节点优化算法费马螺旋曲线

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多不确定性无人水面船事件驱动跟踪控制

多不确定性无人水面船事件驱动跟踪控制

作者：钱前上海工程技术大学

学位级别：硕士

作为一种小型水面自航载体,无人水面船(Unmanned Surface Vehicle,USV)机动灵活,在海洋资源的开发和利用、海上救援、气象监测、侦察等民用和军事领域有着广泛的应用。跟踪控制是USV海上作业和航行基本控制模式,良好的控制算法是USV出... 详细信息

作为一种小型水面自航载体,无人水面船(Unmanned Surface Vehicle,USV)机动灵活,在海洋资源的开发和利用、海上救援、气象监测、侦察等民用和军事领域有着广泛的应用。跟踪控制是USV海上作业和航行基本控制模式,良好的控制算法是USV出色完成跟踪任务的有力保证。然而USV控制系统是同时存在环境干扰和系统模型不确定性的非线性系统,而且用于控制算法设计的速度测量值不易直接获得,研究基于观测器的多不确定性影响下的输出反馈跟踪控制具有重要的理论意义和工程价值。本文在建立USV数学模型的基础上,针对带有不确定性和速度不可测的USV轨迹跟踪控制问题展开研究,提出具有鲁棒性的输出反馈跟踪控制算法,并针对USV船载能量有限的问题,提出事件驱动输出反馈跟踪控制以降低系统能耗。首先,设计自适应鲁棒控制处理未知扰动,基于李雅普诺夫稳定性理论论证稳定性;进而针对外部扰动与速度均未知的情况,提出基于扩张状态观测器(Extended State Observer,ESO)的递归动态滑模输出反馈控制,通过设计递归滑模动态面提高控制系统的鲁棒性,给出仿真结果。接着,针对存在模型不确定性,且遭受的外部扰动未知所造成的多不确定性USV轨迹跟踪控制问题,基于非线性增益观测器提出USV轨迹跟踪输出反馈递归滑模动态面控制,使用径向基函数神经网络(Radial Basis Function Neural Network,RBFNN)对模型参数未知部分进行逼近,通过设计自适应项补偿神经网络逼近误差和估计外部扰动,给出仿真结果。最后,考虑船载能量有限的情况,引入事件驱动控制系统框架,提出多不确定性USV事件驱动跟踪控制,避免基于采样时间等时间间隔地更新控制指令所造成的不必要资源消耗。基于当前跟踪误差和期望状态等变量作为输入定义事件驱动系统的变量设计事件驱动条件,基于李雅普诺夫理论论证系统稳定性,证明不存在Zeno行为,给出仿真结果。

关键词：无人水面船轨迹跟踪不确定性输出反馈事件驱动

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无人船水面目标识别及路径规划研究

无人船水面目标识别及路径规划研究

作者：周达吉林大学

学位级别：硕士

无人水面船具有自主化、智能化、低成本等优点,能够提高任务执行效率、降低人员风险、节约成本,而自主航行技术是无人船自主执行任务的基础。本文围绕无人船的自主航行技术展开研究,主要包括以下三个关键内容:静态环境下的路径规划、局... 详细信息

无人水面船具有自主化、智能化、低成本等优点,能够提高任务执行效率、降低人员风险、节约成本,而自主航行技术是无人船自主执行任务的基础。本文围绕无人船的自主航行技术展开研究,主要包括以下三个关键内容:静态环境下的路径规划、局部避障所需要的水面目标识别与检测、动态环境下的局部避障。本文针对自主航行中的感知和路径规划问题提出了改进的水面目标识别算法、全局及局部路径规划算法,并通过仿真和试验验证了所改进算法的有效性,该算法能够为无人船的自主航行提供技术支撑。以下为论文主要工作:(1)提出了基于改进BTO-RRT算法的无人船全局路径规划方法,能够在静态环境下为无人船规划一条路径长度较短、耗能最少的平滑路径。首先针对原BTO-RRT在大步长情况下出现快速搜索随机树无法采样及三次样条拟合失效的问题,本文提出了基于人工势场的自适应步长采样策略,自适应步长有效解决了上述问题,并且改进后的算法能生成路径更短的优化轨迹,兼顾了生成路径的完备性和路径搜索的速度。然后为节省无人船在水面航行时的能量,使用Corridor约束下的最小化Snap轨迹优化方法代替了BTO-RRT算法的三次样条拟合方法,优化后的轨迹能够使无人船在自主航行中减少能量消耗。最后在河道区域使用搭建的无人船平台进行了试验,验证了改进算法的可行性。(2)提出了基于海天线划分的水面目标检测方法,为无人船提供未知环境下的水面视觉信息。无人船实现在动态环境下局部避碰的必要条件是获取水面目标信息,本文首先针对传统基于霍夫变换海天线检测方法检测精度低和实时性差的问题,提出了基于Canny边缘检测和直线段检测算法的海天线检测方法,该算法能够快速稳定的识别海天线,为无人船划分可航行区域。然后采用YOLOv5s目标检测算法结合上述海天线划分的感兴趣区域对水面目标进行识别,经过测试对比,基于海天线划分的目标检测算法具有更高的检测精度,最后通过实验表明,该算法在实际场景的应用中表现良好。(3)提出了基于改进动态窗口算法的局部避碰方法,使无人船在动态环境下按照海事规则合理规避障碍物。首先使用碰撞危险评价指标确定了避碰时机,然后设置避碰航路点引导无人船规避障碍物,最后对无人船在避碰时的航向做出了约束,确保无人船遵守海事规则。经过仿真验证,改进后的算法在追越、对遇、右交叉相遇三种局面下都能够严格按照规则约束进行避障。

关键词：无人水面船路径规划目标检测局部避碰

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水面无人船的协同控制策略研究

水面无人船的协同控制策略研究

作者：冀秀坤广西科技大学

学位级别：硕士

随着近年来对资源依赖性的不断增加,同时由于陆地资源的大量消耗,人们加大对水域资源的探求力度,因此对船舶作业能力提出了更高的要求。小型无人水面船(USV)由于其无人化、小型化和智能化使得其在执行水域任务时得到更多的青睐,但在面... 详细信息

随着近年来对资源依赖性的不断增加,同时由于陆地资源的大量消耗,人们加大对水域资源的探求力度,因此对船舶作业能力提出了更高的要求。小型无人水面船(USV)由于其无人化、小型化和智能化使得其在执行水域任务时得到更多的青睐,但在面对复杂水域探索和监测任务时,表现出单一船体在任务执行过程中的不足,如船体续航能力有限、船体可搭载的传感器设备有限等问题。为解决该问题,本文采用多艘USV,构成任务执行的一个整体,从而解决单船续航时间短和载重量有限的问题,并且可以极大的提高任务执行效率。多USV的协同控制普遍采用周期性控制算法,但该控制方法对于系统资源占用率较高,且频繁的控制切换对动力硬件损耗较大。因此,针对传统周期性控制算法存在的问题,以及多USV硬件设计过程中的制约,本文给出了基于事件触发控制的多USV协同控制策略,同时开发多USV实物硬件平台,并对所给出的控制策略进行了实物验证。本文的主要研究内容如下:首先,从USV的运动特性及物理结构出发,分析多USV协同控制系统的原理,针对运动控制系统的结构组成、各功能模块的技术要求、可行性及涉及到的有关领域进行的介绍,同时对该USV实验平台运动控制系统框架的总体方案作简要的描述,并且给出了USV的数学模型。其次,考虑减少动力模块磨损,延长动力模块寿命,增加续航时间等因素,给出了事件触发条件及控制流程。在事件触发条件基础下提出了协同控制策略,通过构造李雅普诺夫函数进行了稳定性分析,同时证明了事件触发时间间隔存在严格的正下界,也即避免了Zeno现象。最后,为验证所提出的基于事件触发的多USV协同控制策略,给出了多USV系统的软硬件设计方案。根据模块化设计思想将USV运动控制系统的船体运动姿态监测、电机调速控制、远程数据通讯等功能进行分解和重组,并对其进行功能细节设计,完成多USV运动控制系统和地面站协同控制平台进行了设计。同时为实现数据交互制定了一种通信协议,以实现USV系统航行数据监测、显示和传输控制命令。

关键词：无人水面船协同控制事件驱动实验平台

移动USBL测距辅助的UUV协同导航定位方法

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控制理论与应用 2022年第11期39卷 2057-2064页

作者：王银涛贾晓宝崔荣鑫严卫生西北工业大学航海学院陕西西安710072 水下信息与控制国家级重点实验室陕西西安710072 中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所河南洛阳471023

针对无人水下航行器(UUV)导航精度受惯性导航(INS)影响较大的问题,本文提出一种基于无人水面船(USV)携带超短基线(USBL)对UUV进行移动式辅助导航定位的方法.文中以USV上高精度INS和全球导航卫星系统(GNSS)组合后的导航结果作为基准,利用... 详细信息

针对无人水下航行器(UUV)导航精度受惯性导航(INS)影响较大的问题,本文提出一种基于无人水面船(USV)携带超短基线(USBL)对UUV进行移动式辅助导航定位的方法.文中以USV上高精度INS和全球导航卫星系统(GNSS)组合后的导航结果作为基准,利用USBL测量得到的USV和UUV相对位置和姿态信息,结合UUV的INS误差方程,建立了UUV协同导航系统的状态方程和观测方程,并基于自适应卡尔曼滤波方法对UUV状态进行滤波估计.仿真和湖上实验结果表明,文中所提方法可有效提升UUV导航精度.

关键词：无人水下航行器无人水面船自适应卡尔曼滤波组合导航系统