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欠驱动船舶航迹规划与跟踪控制算法研究

欠驱动船舶航迹规划与跟踪控制算法研究

作者：刘今栋武汉理工大学

学位级别：硕士

随着智能化水平的不断提高,水域船舶正朝着便捷化的方面发展,针对智能化船舶自主跟踪控制技术的研究受到了业界的广泛关注。现阶段对于航迹规划的研究普遍存在忽略控制单元特性的问题,使得航迹规划与跟踪控制之间联系较为孤立、离散,这... 详细信息

随着智能化水平的不断提高,水域船舶正朝着便捷化的方面发展,针对智能化船舶自主跟踪控制技术的研究受到了业界的广泛关注。现阶段对于航迹规划的研究普遍存在忽略控制单元特性的问题,使得航迹规划与跟踪控制之间联系较为孤立、离散,这既不利于验证航迹规划相关研究成果是否具备可移植性,又为各领域优秀算法及模型的融合带来了不便。因此,分析智能化进程中融合船舶航迹规划与跟踪控制算法的实际需求,结合船舶模型,对航迹规划与跟踪控制算法进行研究,具有重要的研究价值与现实意义。本文的主要研究工作如下:(1)欠驱动船舶航向控制算法研究。针对传统船舶航向控制方法大都采用Fossen模型将船舶推进力与转向力矩作为控制量,与目前常用欠驱动船舶实际操纵系统存在一定差距的问题,本文研究基于Nomoto模型的船舶舵角与转向角之间的数学关系,结合现有船模参数搭建操纵性模型,以操纵性模型为受控对象设计基于非线性迭代滑模面函数与正切函数趋近率的船舶航向控制器,验证非线性迭代滑模面函数及正切函数趋近率在本文所搭建船舶操纵性模型中应用的可行性与优越性,为后续路径跟踪控制器的设计提供理论基础。(2)欠驱动船舶路径跟踪控制算法研究。针对以航向导引-跟踪为核心的船舶间接路径跟踪控制器已不能很好满足跟踪的需求,本文基于非线性迭代滑模面函数及正切函数趋近率进一步设计船舶直接路径跟踪控制器,引入RBF神经网络以适应不同工况,实现对趋近率参数的自适应调节以解决控制舵角存在的抖振问题;汲取LOS导引思想,优化滑模面函数,改善控制系统的响应速度。(3)欠驱动船舶航迹规划算法研究。针对航迹规划的研究普遍存在忽略控制单元特性的问题,本文对比传统规划及避碰算法,采用基于蚁群优化算法的全局路径规划算法规划参考航线,再根据船舶运动特性定义了模糊状态集构建方法,设计基于模糊Q-learning的局部风险避碰算法,二者结合作为完整的航迹规划算法,进而结合船舶操纵性模型、航向控制器与路径跟踪控制器,设计面向航迹规划的欠驱动船舶自主跟踪控制器,在水域模型中进行仿真,综合验证本文航迹规划算法的工程应用可移植性与自主跟踪控制器的控制性能。

关键词：路径跟踪控制航迹规划航向控制欠驱动船舶

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欠驱动船舶有限时间轨迹跟踪控制方法研究

欠驱动船舶有限时间轨迹跟踪控制方法研究

作者：喻淑兰浙江海洋大学

学位级别：硕士

面向国家海洋强国战略需求,推动船舶运动控制技术的发展是为实现高度自主无人化船舶智能自主航行的必经之路。考虑船舶在航行中遭受外界未知时变海洋环境、动态不确定性和执行器饱和非线性的影响,本研究提出非线性自适应神经控制策略。... 详细信息

面向国家海洋强国战略需求,推动船舶运动控制技术的发展是为实现高度自主无人化船舶智能自主航行的必经之路。考虑船舶在航行中遭受外界未知时变海洋环境、动态不确定性和执行器饱和非线性的影响,本研究提出非线性自适应神经控制策略。针对上述问题,本文具体研究内容如下:（1）针对具有动态不确定性和未知时变外部扰动的欠驱动船舶轨迹跟踪控制问题。在控制设计中,应用自适应神经网络与扰动观测器技术的独特优势,将两者在设计上进行有机融合,并应用有限时间理论,提出基于神经网络的有限时间扰动观测器,以实现未知时变外部扰动和逼近误差的在线重构。进一步,应用视线-视距（LOS）设计方法解决欠驱动导致的设计难题,并在此框架下,将DSC技术与backstepping设计方法相结合,提出基于神经网络扰动观测器的欠驱动船舶有限时间轨迹跟踪控制解。随后,为了减少执行器频繁对控制指令的响应,将事件触发控制技术引入,并在控制律与船舶执行器之间建立事件触发协议,从而形成基于神经网络扰动观测器的欠驱动船舶有限时间事件触发轨迹跟踪控制策略。（2）在前序研究的基础上,进一步,考虑船舶执行器饱和约束问题及其对控制性能的影响。在控制设计中,采用基于神经网络的扰动观测技术在线重构由动态不确性以及外界环境扰动组成的复合不确定部分。为了解决饱和约束对控制性能影响,将指定性能控制技术与有限时间控制方法结合,构造一个新的指定性能函数,并建立船舶跟踪误差的非线性变换。进一步,在backstepping设计框架下,引入附加控制技术与饱和动态补偿技术,提出欠驱动船舶指定性能轨迹跟踪控制策略。该策略在解决欠驱动和输入饱和约束的同时,实现了船舶跟踪控制精度和跟踪收敛速度的离线与设计。（3）为验证以上控制方案的有效性,以某型号欠驱动船舶模型为仿真对象进行控制性能测试。结果表明:本研究所提出策略可以抵抗复合扰动以及执行器饱和约束的影响,且对船舶的内外不确定性具有较强的鲁棒性与自适应能力。

关键词：欠驱动船舶自适应神经网络扰动观测器有限时间轨迹跟踪控制

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欠驱动船舶自动靠泊路径跟踪控制方法研究

欠驱动船舶自动靠泊路径跟踪控制方法研究

作者：刘凯哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

近年来随着船舶行业智能化和无人化的发展,船舶自动靠泊的控制技术已经成为了研究的热点,而靠泊过程中水动力学参数不准确引起的船舶模型不确定性、岸壁效应、舵效失效和干扰不确定等问题又使靠泊控制技术成为了研究的难点。本文研究欠... 详细信息

近年来随着船舶行业智能化和无人化的发展,船舶自动靠泊的控制技术已经成为了研究的热点,而靠泊过程中水动力学参数不准确引起的船舶模型不确定性、岸壁效应、舵效失效和干扰不确定等问题又使靠泊控制技术成为了研究的难点。本文研究欠驱动船舶的自动靠泊问题,将靠泊过程分为远端的路径跟踪和近港的泊位点停靠两个阶段。研究时在考虑外界环境干扰和船舶速度状态不可测的前提下,基于水面三自由度的欠驱动船舶运动数学模型分别设计了应用于路径跟踪和泊位点停靠的控制器。控制器的设计思想为以滑模控制为主体结合LOS(Line Of Sight)视线法、非线性观测器、自适应控制和反步法等理论,设计方法如下:(1)针对靠泊的路径跟踪阶段,假设船舶运动状态完全可测和外界环境扰动已知,采用LOS视线法从船舶的期望路径得到期望航向角,再通过滑模控制利用期望航向角和给定的期望航速设计得到欠驱动船舶的纵向推进力控制律和转艏力矩控制律。经稳定性分析和仿真实验验证,欠驱动船舶在所设计的控制器作用下可以实现以期望航速跟踪期望路径的控制目标。(2)针对船舶运动速度分量不可测和外界环境扰动上界未知的情况,采用非线性观测器对船舶的速度状态进行估计,通过速度的估计值利用滑模控制的方法设计运动系统的纵向推进力和转艏力矩控制律,再采用自适应控制的策略对环境扰动上界进行估计,从而对纵向推进力控制律和转艏力矩控制律做出改进。经系统整体的稳定性分析和仿真实验发现,改进后的控制器可以实现靠泊第一阶段的控制目标,为后续的泊位点停靠做好准备工作。(3)针对靠泊的泊位点停靠阶段,引入一种状态变换对欠驱动船舶的运动数学模型作微分同胚变换,在变换后的数学模型基础上利用反步法得到系统期望的虚拟控制输入,进而通过滑模控制利用期望的虚拟控制输入设计得到船舶的纵向推进力和转艏力矩控制律,最后在考虑自适应干扰之后对控制器进行改进。由系统整体的稳定性分析和仿真实验可得,所设计的控制器可以使欠驱动船舶平稳到达泊位点,且各个运动状态稳定收敛,完成了靠泊第二阶段的泊位点停靠工作。

关键词：欠驱动船舶靠泊控制滑模控制路径跟踪

考虑不确定扰动的欠驱动船舶鲁棒自适应有限时间控制

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中国航海 2023年第1期46卷 16-23页

作者：张强王琪文孟祥飞胡宴才张树豪山东交通学院航运学院山东威海264200

针对欠驱动水面船舶遭受的系统动态不确定性影响和外界干扰问题,设计一种有限时间轨迹跟踪控制方案。该方案将系统动态影响和外界扰动的不确定性耦合成可转化为单参数线性化形式的复合向量,并设计自适应控制律来逼近复合向量的上界,从... 详细信息

针对欠驱动水面船舶遭受的系统动态不确定性影响和外界干扰问题,设计一种有限时间轨迹跟踪控制方案。该方案将系统动态影响和外界扰动的不确定性耦合成可转化为单参数线性化形式的复合向量,并设计自适应控制律来逼近复合向量的上界,从而简化计算复杂度。为提高轨迹跟踪控制的快速收敛性和强抗干扰能力,考虑有限时间控制的设计思路,在虚拟控制变量和控制律中设计有限时间函数,通过Lyapunov理论分析该控制律的稳定性,并通过对比仿真试验验证方案的有效性。结果表明:该方案可为智能船舶自主航行提供理论支撑。

关键词：轨迹跟踪有限时间欠驱动船舶自适应控制

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欠驱动船舶路径跟踪的神经滑模控制

中国造船 2015年第2期56卷 45-55页

作者：杨震刘繁明王岩哈尔滨工程大学自动化学院哈尔滨150001 中船重工703研究所哈尔滨150001

为实现欠驱动船舶在存在风浪流外界干扰和参数摄动条件下的路径跟踪控制,提出一种基于可视距离的神经滑模路径跟踪鲁棒控制器。利用可视距离思想,根据期望路径与当前位置信息,分别设计船舶纵向速度和艏摇角的参考值,并视为镇定位置误差... 详细信息

为实现欠驱动船舶在存在风浪流外界干扰和参数摄动条件下的路径跟踪控制,提出一种基于可视距离的神经滑模路径跟踪鲁棒控制器。利用可视距离思想,根据期望路径与当前位置信息,分别设计船舶纵向速度和艏摇角的参考值,并视为镇定位置误差的虚拟控制律,将路径跟踪问题转化为纵向速度和艏摇角的镇定问题;结合神经网络和滑模方法,设计一种新的神经滑模鲁棒控制器,实现了对虚拟控制律的跟踪控制,无需确定参数摄动和外界干扰的上界,避免了控制器容易出现的饱和问题和抖振现象。仿真试验表明,设计的控制器对欠驱动船舶的模型摄动和外界干扰变化不敏感,可以实现路径的理想跟踪。

关键词：欠驱动船舶路径跟踪神经网络滑模可视距离

欠驱动船舶路径跟踪的神经网络稳定自适应控制

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控制理论与应用 2010年第2期27卷 169-174页

作者：刘杨郭晨沈智鹏刘雨郭迪大连海事大学信息科学技术学院辽宁大连116026 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院北京100191

针对三自由度欠驱动船舶模型参数不确定的路径跟踪问题,设计了神经网络稳定自适应控制器.首先应用微分同胚等效变换和Lyapunov直接法设计参考航向和参考速度,然后对船舶模型参数不确定的操纵环路和推进环路分别设计神经网络稳定自适应... 详细信息

针对三自由度欠驱动船舶模型参数不确定的路径跟踪问题,设计了神经网络稳定自适应控制器.首先应用微分同胚等效变换和Lyapunov直接法设计参考航向和参考速度,然后对船舶模型参数不确定的操纵环路和推进环路分别设计神经网络稳定自适应控制器跟踪参考航向和参考速度,并对外界风浪流干扰进行自适应补偿.Lyapunov稳定性分析证明了船舶路径跟踪闭环系统的所有误差信号一致最终有界.仿真研究验证了神经网络稳定自适应路径跟踪器的有效性.

关键词：欠驱动船舶路径跟踪 Lyapunov直接法神经网络稳定自适应自动舵

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欠驱动船舶路径跟踪的强化学习迭代滑模控制

哈尔滨工程大学学报 2017年第5期38卷 697-704页

作者：沈智鹏代昌盛大连海事大学信息科学技术学院辽宁大连116026

针对三自由度欠驱动船舶的路径跟踪问题,本文提出一种基于强化学习的自适应迭代滑模控制方法。该方法引入双曲正切函数对系统状态进行迭代滑模设计,并采用神经网络对控制参数进行优化,增强控制器的自适应性。通过定义一种控制量抖振测... 详细信息

针对三自由度欠驱动船舶的路径跟踪问题,本文提出一种基于强化学习的自适应迭代滑模控制方法。该方法引入双曲正切函数对系统状态进行迭代滑模设计,并采用神经网络对控制参数进行优化,增强控制器的自适应性。通过定义一种控制量抖振测量变量和强化学习信号,实现对神经网络的结构和参数进行在线调整,能进一步抑制控制量的抖振作用。应用5446TEU集装箱船的数学模型进行控制仿真,结果表明所设计控制器能有效地处理风和流等外界扰动,具有较强的鲁棒性,与迭代滑模控制器相比舵角的抖振减小明显,控制舵角信号符合船舶的实际操作要求,更符合工程实际要求。

关键词：欠驱动船舶路径跟踪控制器设计自适应迭代滑模控制滑模面反馈神经网络强化学习

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欠驱动船舶航迹跟踪指令滤波滑模鲁棒控制

电机与控制学报 2013年第5期17卷 110-118页

作者：王岩朱齐丹孟浩刘志林哈尔滨工程大学自动化学院黑龙江哈尔滨150001

为实现欠驱动船舶在模型参数不确定和外界风浪流干扰情况下水平面的航迹跟踪控制,提出了一种指令滤波滑模鲁棒控制方法。利用指令滤波结合反步法建立航迹跟踪误差方程,设计船舶纵向速度和艏摇角的虚拟控制律镇定航迹跟踪误差,并进一步... 详细信息

为实现欠驱动船舶在模型参数不确定和外界风浪流干扰情况下水平面的航迹跟踪控制,提出了一种指令滤波滑模鲁棒控制方法。利用指令滤波结合反步法建立航迹跟踪误差方程,设计船舶纵向速度和艏摇角的虚拟控制律镇定航迹跟踪误差,并进一步设计船舶艏摇角速度虚拟控制律镇定艏摇角误差;将船舶纵向速度和艏摇角速度的虚拟控制律作为新的跟踪目标,采用积分方法设计基于上下界的滑模控制器,克服了常规反步法对虚拟控制律求导复杂的问题,避免了微分运算在工程应用中难以接受的缺陷和控制输入的抖振现象以及减小稳态误差。仿真实验表明,设计的控制器对欠驱动船舶的模型参数摄动及外界干扰变化不敏感,能够同时实现水平面直线和曲线的精确跟踪。

关键词：欠驱动船舶参数不确定外界干扰跟踪控制指令滤波滑模控制

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欠驱动船舶简捷鲁棒自适应路径跟踪控制

哈尔滨工程大学学报 2014年第9期35卷 1053-1059页

作者：张国庆张显库关巍大连海事大学航海动态仿真和控制实验室辽宁大连116026

为了进一步解决模型存在任意不确定性和外界环境干扰的欠驱动船舶路径跟踪控制问题,在Backstepping方法基础上,引入非线性函数逼近技术对模型中任意不确定因素进行补偿控制。考虑到"计算膨胀"和控制实时性问题,引入动态面控制和最小参... 详细信息

为了进一步解决模型存在任意不确定性和外界环境干扰的欠驱动船舶路径跟踪控制问题,在Backstepping方法基础上,引入非线性函数逼近技术对模型中任意不确定因素进行补偿控制。考虑到"计算膨胀"和控制实时性问题,引入动态面控制和最小参数学习方法的设计思想,充分利用欠驱动船舶模型内部结构特征,将用于非线性函数逼近的神经网络权重压缩为4个参数进行在线学习。该算法具有形式简捷、学习参数少、易于工程实现的特点,仿真实例验证了所提出控制策略的有效性。

关键词：欠驱动船舶路径跟踪 Backstepping 神经网络自适应控制非线性函数