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基于非线性增益递归滑模的船舶轨迹跟踪动态面自适应控制

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自动化学报 2018年第10期44卷 1833-1841页

作者：沈智鹏张晓玲大连海事大学信息科学技术学院大连116026

针对三自由度全驱动船舶存在模型不确定和未知外部环境扰动的情况,设计出一种基于非线性增益递归滑模的船舶轨迹跟踪动态面自适应神经网络控制方法.该方法综合考虑船舶位置和速度误差之间关系设计递归滑模面,引入神经网络对船舶模型不... 详细信息

针对三自由度全驱动船舶存在模型不确定和未知外部环境扰动的情况,设计出一种基于非线性增益递归滑模的船舶轨迹跟踪动态面自适应神经网络控制方法.该方法综合考虑船舶位置和速度误差之间关系设计递归滑模面,引入神经网络对船舶模型不确定部分进行逼近,设计带σ-修正泄露项的自适应律对神经网络逼近误差与外界环境扰动总和的界进行估计,并应用一种非线性增益函数构造动态面控制律,选取李雅普诺夫函数证明了该控制律能够保证轨迹跟踪闭环系统内所有信号的一致最终有界性.最后,基于一艘供给船进行仿真验证,结果表明,船舶轨迹跟踪响应速度快、精度高,所设计控制器对系统模型参数摄动及外界扰动具有较强的鲁棒性.

关键词：船舶轨迹跟踪非线性增益递归滑模动态面自适应控制

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基于双目立体视觉的船舶轨迹跟踪算法研究

计算机科学 2017年第1期44卷 308-313页

作者：黄椰黄靖肖长诗姜文孙毅武汉理工大学计算机科学与技术学院武汉430063 武汉理工大学航运学院武汉430063

双目立体视觉模型通过模拟人眼可以实现对目标距离的测量。为了获得水上船舶实时的运动状态,提出了一种基于双目立体视觉的船舶轨迹跟踪方法。首先,通过摄像机标定、线性空间点三维重建可以测得以相机为中心到船舶的距离,得到船舶的部... 详细信息

双目立体视觉模型通过模拟人眼可以实现对目标距离的测量。为了获得水上船舶实时的运动状态,提出了一种基于双目立体视觉的船舶轨迹跟踪方法。首先,通过摄像机标定、线性空间点三维重建可以测得以相机为中心到船舶的距离,得到船舶的部分运动轨迹;其次,在双目立体视觉测距系统的基础上采用常速(Constant Velocity,CV)模型的方法对船舶运动建模;最后,对建立的船舶运动模型利用强跟踪卡尔曼滤波(Strong Tracking Kalman Filter,STKF)船舶轨迹跟踪的方法跟踪船舶的轨迹并估算目标船舶实时的运动状态。实验结果表明,基于双目立体视觉的船舶轨迹跟踪的方法能有效地跟踪船舶轨迹且适用于工程应用的需求。

关键词：立体视觉双目测距 Constant Velocity(CV)模型强跟踪卡尔曼滤波(sTKF) 船舶轨迹跟踪

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全驱动船舶轨迹跟踪的自适应动态面控制研究

全驱动船舶轨迹跟踪的自适应动态面控制研究

作者：张晓玲大连海事大学

学位级别：硕士

对于操纵性能与安全性能要求较高的船舶,如浮式采油-储油-卸油船、穿梭运输邮轮、补给船和半潜式钻井平台等,一般采用全驱动配置以实现其目标。在进行某些特定的工程作业如深海勘探、海底管道建设、供给和海上石油钻探等时,需要船舶精... 详细信息

对于操纵性能与安全性能要求较高的船舶,如浮式采油-储油-卸油船、穿梭运输邮轮、补给船和半潜式钻井平台等,一般采用全驱动配置以实现其目标。在进行某些特定的工程作业如深海勘探、海底管道建设、供给和海上石油钻探等时,需要船舶精确地按照预定的航线航行,由于所航行的环境、船舶自身特性等,多耦合、强非线性的水面船舶不可避免地遭受环境干扰以及存在着动态不确定性,这使得水面船舶轨迹跟踪控制设计极具挑战性。因此,研究全驱动船舶轨迹跟踪控制问题具有重要的理论意义和实际工程价值。首先,针对遭受未知外部环境扰动的三自由度全驱动船舶的轨迹跟踪控制问题,提出带扰动观测器的自适应动态面滑模控制方法。该方法设计扰动观测器估计外部环境扰动并进行前馈补偿,采用自适应律估计扰动观测误差的界,提高控制精度,结合动态面技术构造控制器,避免微分爆炸。其次,针对存在模型不确定项和未知外部环境扰动的三自由度全驱动船舶的轨迹跟踪控制问题,提出基于非线性增益递归滑模的自适应动态面控制方法。该方法引入神经网络逼近模型不确定项,采用自适应律估计神经网络逼近误差与扰动总和的界,综合考虑船舶位置和速度误差之间关系设计递归滑模面,并应用一种非线性增益函数构造动态面控制器,增强控制系统对自身参数摄动的非脆弱性。然后,针对模型参数完全未知、遭受未知外部环境扰动及速度向量不可测的三自由度全驱动船舶的轨迹跟踪控制问题,提出基于神经网络观测器的低频学习自适应递归滑模动态面输出反馈控制方法。该方法设计神经网络自适应观测器估计船舶速度向量,引入神经网络逼近船舶模型未知项,结合递归滑模动态面技术构造控制器,并采用低频增益学习方法消除外界扰动引起的高频振荡控制信号。最后,以一艘供给船为对象进行直线轨迹和圆轨迹跟踪的仿真研究,结果表明,所设计控制器输出合理有效,对外部环境扰动及模型未知部分具有较强的鲁棒性,船舶轨迹跟踪响应速度快、精度高,能够实现控制目标。

关键词：船舶轨迹跟踪自适应动态面控制神经网络递归滑模低频学习

基于双目立体视觉技术的船舶轨迹跟踪方法研究

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基于双目立体视觉技术的船舶轨迹跟踪方法研究

作者：黄椰武汉理工大学

学位级别：硕士

近年来随着水上交通事故的日渐增多,水上交通安全逐渐成为广大工程技术人员和科学工作者,尤其是水上交通管理部门关注的焦点。基于双目立体视觉技术的船舶轨迹跟踪方法能获取船舶的轨迹参数信息,跟踪船舶的运行轨迹,使船舶按照操纵者的... 详细信息

近年来随着水上交通事故的日渐增多,水上交通安全逐渐成为广大工程技术人员和科学工作者,尤其是水上交通管理部门关注的焦点。基于双目立体视觉技术的船舶轨迹跟踪方法能获取船舶的轨迹参数信息,跟踪船舶的运行轨迹,使船舶按照操纵者的控制运行,并且能够及时预警危险,对船舶运行的决策问题提供支持,因此,该方法对于保障水上交通的安全具有重要的意义。目前,基于双目立体视觉技术的船舶轨迹跟踪方法研究尚不多见,因此如何利用双目立体视觉技术获取近距离和远距离船舶的运行轨迹,实现准确的船舶轨迹跟踪是亟待解决的关键问题。针对上述问题,论文的研究内容主要从以下三个方面展开:(1)普通相机与长焦镜头的标定针对普通相机的标定,使用传统的相机标定方法即可获取准确的相机参数信息。针对长焦镜头的标定,由于其焦距大、观测时视野较小,并且拍摄时需离目标较远的距离,因此使用传统的相机标定方法步骤较复杂,且标定结果存在较大误差。针对长焦镜头标定困难的问题,提出一种新的长焦镜头焦距计算方法,该方法旨在构建长焦镜头焦距与图像视差间的线性回归模型,并在实验中验证该模型的准确性。(2)船舶轨迹参数估计模型在获取普通相机与长焦镜头参数信息的基础上,针对近距离的船舶运行轨迹计算,使用基于空间点三维重建的方法获取准确的近距离船舶平面运行轨迹;针对远距离的船舶运行轨迹计算,由于使用普通相机空间点三维重建的方法获取的轨迹误差较大,因此提出一种基于长焦镜头测距的远距离船舶平面轨迹计算的方法。实验结果表明,该方法计算远距离船舶运行轨迹的准确性较高。在此基础上,对近距离的船舶运行轨迹和远距离的船舶运行轨迹构建参数估计模型,根据构建的模型获取近距离和远距离船舶的轨迹参数信息,该信息用于后续船舶轨迹跟踪算法的研究。(3)基于双目立体视觉的船舶轨迹跟踪算法针对近距离和远距离的船舶轨迹跟踪,提出一种基于双目立体视觉的船舶轨迹跟踪算法。首先对船舶建立运动模型,并将船舶轨迹参数信息作为船舶的初始状态参数,然后分别使用传统的卡尔曼滤波算法、强跟踪卡尔曼滤波算法和基于双目立体视觉的船舶轨迹跟踪算法实现船舶运行轨迹的实时跟踪和预测,最后对比三种方法的轨迹参数预测误差,并通过蒙特卡罗迭代计算轨迹参数的均方根误差。实验结果表明,基于双目立体视觉技术的船舶轨迹跟踪方法具有较高的准确性和可靠性。

关键词：立体视觉长焦镜头远距离测距轨迹参数估计船舶轨迹跟踪

输入受限全驱动船舶的轨迹跟踪自适应反演控制

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输入受限全驱动船舶的轨迹跟踪自适应反演控制

作者：毕艳楠大连海事大学

学位级别：硕士

全驱动轨迹跟踪船舶因其操纵灵活,较高的安全性能常被应用于特定的工程作业中如海上货物运输、海洋石油勘探、海底管道建设和供给等。然而实际的海洋作业中,船舶执行器极易受到物理限制,过大的控制器信号会导致船舶执行器的损坏,因此研... 详细信息

全驱动轨迹跟踪船舶因其操纵灵活,较高的安全性能常被应用于特定的工程作业中如海上货物运输、海洋石油勘探、海底管道建设和供给等。然而实际的海洋作业中,船舶执行器极易受到物理限制,过大的控制器信号会导致船舶执行器的损坏,因此研究输入受限的全驱动船舶轨迹跟踪控制问题具有重要的实际意义。本文以全驱动水面船舶作为研究对象,结合非线性控制理论、动态面控制技术、障碍李雅普诺夫函数、预设性能函数、指令滤波技术、神经网络、自适应技术以及Nussbaum函数等理论工具,研究讨论系统中存在未知部分、船舶控制器输入受限、系统输出受限、预设船舶跟踪性能以及受到外界海洋干扰等问题。本文主要研究工作包括以下几个方面:第一,针对船舶模型含有未知部分和受到未知外界环境扰动的输入受限全驱动船舶的轨迹跟踪控制问题,提出了最小参数法神经网络的自适应递归滑模动态面控制方法。该方法将动态面控制技术与递归滑模思想相结合,在避免微分爆炸的同时避免系统因动态面导致的参数摄动问题,利用最小参数法的神经网络技术对系统中的不确定部分进行在线逼近,有效降低神经网络估计船舶模型不确定部分的计算量,然后利用分段光滑函数对控制信号进行受限并利用辅助系统和Nussbaum函数对控制律进行补偿,最后利用自适应技术估计神经网络逼近误差和未知外界环境干扰。通过Lyapunov稳定性理论得到了闭环系统是半全局一致最终有界的,仿真结果表明了本文所提出的控制算法可以使船舶控制力和力矩受限在一定区域内,力和力矩曲线光滑合理且有效,船舶可精确地跟踪期望轨迹。第二,在实际海洋工程中,船舶会不可避免的遇到狭窄水道或航行拥挤的情况,因此本文设计了基于障碍李雅普诺夫函数的全驱动船舶轨迹跟踪自适应递归滑模反演控制方法。该方法利用时变非对称障碍李雅普诺夫函数的自身特性处理系统输出受限问题并放宽了初始约束条件,将指令滤波控制技术与递归滑模思想相结合,有效降低控制信号的幅值,并在避免因反步法导致的微分爆炸问题的同时增强系统的鲁棒性能,利用最小参数法的神经网络对系统中存在的未知部分进行在线估计,最后利用自适应技术逼近估计误差和外界环境干扰。通过Lyapunov稳定性理论得到了闭环系统是半全局一致最终有界的,仿真结果表明本文所设计的控制算法的有效性,并有效提高了船舶的轨迹跟踪精度,使船舶输出轨迹受限在时变范围内。第三,在研究船舶轨迹跟踪稳态性能的同时,暂态性能也是不容忽视的。为了约束船舶轨迹跟踪的暂态性能,本文设计了基于神经网络预估器的指令滤波递归滑模反步控制方法。该方法将预设性能函数与时变非对称障碍李雅普诺夫函数有机结合对船舶的暂态与稳态跟踪性能进行有效约束,将指令滤波控制技术与递归滑模思想相结合降低系统控制信号的幅值并提高系统的鲁棒性能,设计神经网络对系统未知参数和外界环境干扰进行在线逼近,利用预估器有效提高神经网络逼近精度和暂态性能,最后利用自适应技术估计神经网络逼近误差提高系统的控制精度。通过Lyapunov稳定性理论得到了闭环系统是半全局一致最终有界的,仿真结果表明了本文所设计的控制算法的有效性,在约束系统稳态性能的同时也有效的约束了系统的暂态性能。最后,将一艘76.2m的供给船作为本文的实验对象进行仿真实验和仿真分析,实验结果表明本文所设计的全驱动船舶轨迹跟踪的自适应反演控制方法对于船舶的输入受限、输出受限、暂态性能与稳态性能约束、模型存在未知部分或模型参数未知、船舶受到外界未知环境扰动等实际问题仍可使船舶系统按照期望轨迹航行并保证一定的控制精度,实现期望的控制目标。

关键词：输入受限输出受限神经网络预设性能船舶轨迹跟踪

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全驱动船舶的轨迹跟踪控制研究

全驱动船舶的轨迹跟踪控制研究

作者：康宁哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

全驱动配置的船舶因其操控性好,安全性高等特点常被应用于重要的海洋工程任务,例如海洋油气勘探,海上货物运载,海下管道建设等,这些海洋作业的特点均要求船舶按照预先设定的航线准确移动以确保作业能够安全完成。由于船舶具有高度非线... 详细信息

全驱动配置的船舶因其操控性好,安全性高等特点常被应用于重要的海洋工程任务,例如海洋油气勘探,海上货物运载,海下管道建设等,这些海洋作业的特点均要求船舶按照预先设定的航线准确移动以确保作业能够安全完成。由于船舶具有高度非线性、强耦合性以及不可避免的遭受到外部未知海洋环境扰动,致使船舶的高精度轨迹跟踪控制设计面临严峻的挑战。因此,研究全驱动船舶的轨迹跟踪控制问题具有重要学术意义和工程应用价值。本文主要研究内容如下:根据船舶自身的运动特性推导出全驱动船舶运动数学模型。首先,建立了用以描述船舶位置、姿态等状态信息的北东坐标系和船体坐标系。然后,从运动学特性和动力学特性的分析角度出发,分别利用坐标转换和牛顿欧拉方程建立了六自由度全驱动船舶的运动学模型和动力学模型。最后,针对本文主要研究的轨迹跟踪控制任务简化船舶运动数学模型,并对海洋环境扰动进行分析,建立了考虑外部未知环境时变扰动和模型参数不确定性的三自由度全驱动船舶运动数学模型,并分别给出了不同坐标系下的表述方式。针对存在外部未知环境时变扰动和模型参数不确定性的全驱动船舶轨迹跟踪控制问题。首先,给出三自由度全驱动船舶轨迹跟踪控制模型的二阶误差动态方程。然后,设计非线性干扰观测器对外部扰动和模型参数不确定性构成的未知复合扰动进行估计并将其补偿。最后,建立系统的状态方程,采用反递推的思想结合李雅普诺夫函数设计轨迹跟踪控制器,用以提升控制系统的跟踪性能。针对非线性干扰观测器对高频时变扰动估计欠佳的情况,进一步对具有模型参数不确定性的全驱动船舶轨迹跟踪控制问题展开研究。首先,利用神经网络的逼近能力设计干扰观测器估计高频扰动。然后,将估计值反馈给参数化控制器,以补偿控制器的形式对系统的非线性扰动项进行补偿。最后,为了提高系统的性能指标,并抑制高度非线性和强耦合性对轨迹跟踪控制产生的影响,采用直接参数化方法设计控制器,灵活的将轨迹跟踪问题转化为误差系统镇定问题。为验证本文所设计控制器的有效性,基于一艘工程供应船分别对不同的轨迹进行仿真验证。结果表明,所设计的观测器可以对外部未知环境时变扰动和模型参数不确定性进行较好的估计,控制器的输出合理有效,能够实现控制目标。

关键词：船舶轨迹跟踪干扰观测器反步法神经网络直接参数化方法

输入输出受限船舶的轨迹跟踪自适应递归滑模控制

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控制理论与应用 2020年第6期37卷 1419-1427页

作者：沈智鹏毕艳楠王宇郭晨大连海事大学船舶电气工程学院辽宁大连116026

针对输入输出受限,模型部分不确定和受到未知海洋干扰的全驱动船舶的轨迹跟踪问题,提出一种基于时变非对称障碍李雅普诺夫函数的最小参数自适应递归滑模控制策略.该策略首先设计障碍李雅普诺夫函数约束船舶轨迹在有限区域内,利用最小参... 详细信息

针对输入输出受限,模型部分不确定和受到未知海洋干扰的全驱动船舶的轨迹跟踪问题,提出一种基于时变非对称障碍李雅普诺夫函数的最小参数自适应递归滑模控制策略.该策略首先设计障碍李雅普诺夫函数约束船舶轨迹在有限区域内,利用最小参数法神经网络逼近模型不确定项,降低系统的计算复杂度,然后采用指令滤波器对输入信号进行幅值约束,同时避免对因反步法导致的微分爆炸问题,综合考虑船舶位置以及速度误差间的关系设计递归滑模控制律,提高系统的鲁棒性,采用双曲正切函数和Nussbaum函数补偿由输入饱和引起的非线性项,提高系统稳定性.最后通过Lyapunov理论分析证明了全驱动船舶闭环系统中所有信号是一致最终有界的.仿真结果表明,本文所设计的船舶轨迹跟踪控制方案能有效处理船舶模型不确定部分以及未知外界干扰的问题,能够实现船舶在输入受限的情况下在有限区域内航行并准确的跟踪期望轨迹,具有较强的鲁棒性.

关键词：船舶轨迹跟踪输入受限输出受限递归滑模控制神经网络控制系统稳定性

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船舶系统有限时间滑模控制算法研究

船舶系统有限时间滑模控制算法研究

作者：陈雅楠天津工业大学

学位级别：硕士

随着我国海洋经济的蓬勃发展和海洋强国的建设,船舶作为大洋资源勘探、海上运输和海防建设等领域的重要载体,其操作的有效性和安全性的要求正在不断提高。由于拥有易受外部干扰、模型参数不确定性和内部状态较难测量等特点,船舶作为一... 详细信息

随着我国海洋经济的蓬勃发展和海洋强国的建设,船舶作为大洋资源勘探、海上运输和海防建设等领域的重要载体,其操作的有效性和安全性的要求正在不断提高。由于拥有易受外部干扰、模型参数不确定性和内部状态较难测量等特点,船舶作为一类复杂的非线性系统,其控制是非常具有挑战性的。因此,对船舶运动的控制算法研究十分必要,其中,轨迹跟踪作为船舶的基本控制问题吸引了众多学者的关注。滑模控制由于其响应速度快、对系统扰动和不确定性的鲁棒性强等特点,已成为船舶系统的有效控制策略。同时,为了从收敛时间方面提升系统的控制性能,有限时间控制方法的引入具有实际工程意义。因此,本文主要对船舶系统有限时间滑模控制算法进行研究分析,主要内容如下:1)针对三自由度船舶误差系统的有限时间轨迹跟踪控制问题,分别讨论对比了三种滑模控制方案的性能。首先,基于传统线性滑模设计控制器对船舶系统进行控制。接着,引入带有非线性项的终端滑模,使系统在参数变化时拥有更强的鲁棒性和更快的收敛速度,然而这会带来奇异性问题。因此,引入非奇异终端滑模控制方案,解决奇异点问题并降低控制输入的抖振。最终,依据李雅普诺夫稳定理论,证明了在有限时间内,各个鲁棒有限时间控制器能够保证船舶实际位置和速度的跟踪误差稳定在原点附近。2)针对船舶轨迹误差系统,考虑干扰和模型参数不确定性、跟踪误差不能有限时间收敛以及依赖于不确定上界先验信息的问题,提出一种基于自适应滑模干扰观测器的非奇异快速终端滑模控制方法。首先,提出了一种非奇异快速终端滑模用以设计观测器和控制器。其次,使用双层自适应方案来逼近观测器中不确定性的上界,设计了增益自适应的滑模干扰观测器用于估计集总扰动。然后,将估计值加到控制器上,使得控制系统能够有效地补偿集总扰动的不利影响,系统状态在有限时间内收敛。最终,在扰动相关界限未知的情况下,所设计的控制方案能够在有限时间内使得船舶实现对期望轨迹的高精度跟踪。

关键词：船舶轨迹跟踪有限时间控制终端滑模控制自适应控制扰动观测器

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混合动力船舶自主航行仿真系统设计研究

混合动力船舶自主航行仿真系统设计研究

作者：杜朋柱大连理工大学

学位级别：硕士

在碳中和大背景下,船舶可以采用混合动力系统减少碳排放。船舶采用高效的能量管理技术,智能算法优化出最佳的航行路径,使总消耗成本最小,可以进一步减少碳排放。文本主要针对自主航行船舶路径规划、欠驱动轨迹跟踪控制和高效能量管理展... 详细信息

在碳中和大背景下,船舶可以采用混合动力系统减少碳排放。船舶采用高效的能量管理技术,智能算法优化出最佳的航行路径,使总消耗成本最小,可以进一步减少碳排放。文本主要针对自主航行船舶路径规划、欠驱动轨迹跟踪控制和高效能量管理展开研究,其主要内容如下:(1)自主航行船舶操纵数学模型建立。引入了欠驱动3自由度船舶操纵性模型,根据原型船对船舶操纵水动力导数及模型参数进行了计算。随后为模拟真实环境对环境干扰进行设计,最后为了验证船舶操纵性模型的准确性和稳定性,进行船舶操纵性仿真试验。(2)自主航行船舶路径规划设计。对墨西哥湾电子海图栅格化处理并基于改进型A算法的全局路径规划进行设计,该算法能够搜索出最佳路径并有效避开障碍物。采用改进型人工势场法对船舶穿越海峡过程进行局部路径规划设计,通过仿真结果表明所设计的算法能够实时有效的规避障碍物。(3)考虑操纵性约束的自主航行船舶轨迹跟踪控制设计。针对欠驱动船舶轨迹跟踪控制系统具有非线性、大惯性、时滞、局部线性不可控等特点,结合扩展卡尔曼滤波器和序列二次规划算法,设计基于非线性模型预测控制的船舶轨迹跟踪控制策略。同时设计具有一定复杂度的参考轨迹,用于测试船舶的各种工况及工况切换情况。通过对一艘监测船进行仿真试验,验证所设计轨迹跟踪控制器的有效性。(4)基于规则的速度规划和混合动力系统能量管理策略设计。针对船舶航速限制法规做了相应的速度规划,对船舶启动、制动和避碰过程进行速度控制。之后对船舶混合动力系统运行模式进行设计,最后基于确定规则的船舶能量管理策略进行设计并结合所设计的运行工况进行试验仿真,结果表明相较于传统柴油机推进系统,燃油消耗降低了23.82%。本文深入研究了混合动力自主航行船舶欠驱动操纵性模型建立、路径规划、轨迹跟踪控制、速度规划和能量管理策略,具有一定的学术价值和工程应用实践意义。

关键词：自主航行船舶操纵性模型船舶路径规划船舶轨迹跟踪船舶速度规划能量管理策略