舵桨联合操纵的自主式水下机器人运动控制

针对水下机器人舵桨切换操作时,由于控制输出突变而导致系统振荡甚至发散的现象,提出一种切换函数平滑指令输出;同时考虑到高速航态下,纵向速度对其他自由度运动的耦合影响,提出一种基于运动补偿的改进S面控制方法.该方法S面控制器结构简单、参数易于调整,解决了S面控制器在水下机器人高速航行下控制效果较差的问题.利用李雅普诺夫函数对该控制器进行了稳定性分析,将其应用于舵桨联合操纵的水下机器人的运动控制.速度控制、艏向控制及深度控制,试验结果验证了该方法在水下机器人运动控制中应用的可行性.     

水下机器人S面控制器的改进粒子群优化

S面控制器是一种有效的水下机器人的运动控制算法,但需要人工调整参数.为了减少手工调整参数所带来的困难和误差,提出了改进的粒子群优化算法对S面控制器参数进行优化.采用动态压缩因子,加快粒子算法的收敛;引入退火算法,提高粒子算法的局部搜索能力.同时,在S面控制器中引入智能积分项,有效地减小控制器的稳态误差.最后,论述了改进粒子群算法优化S面控制参数的具体过程,并在某型水下机器人上进行了仿真试验和水池试验.试验结果表明,该算法对于水下机器人非线性控制器的参数寻优达到良好的效果,优化后的S面控制具有较快的反应速度和较小的超调.     

水下机器人S面控制器的免疫遗传算法优化

S面控制器是实践证明有效的水下机器人的运动控制器算法,但参数调整困难.如何针对特定载体选取最佳的控制器参数,是影响到控制效果的重要问题.为了减少参数手工调整所带来的误差和繁琐劳动,提出了水下机器人S面控制器的免疫遗传优化算法.利用免疫算法产生多样性抗体的能力,抗体浓度自我调节,抗原的免疫记忆功能实现了S面控制器参数优化计算的快速收敛,避免了局部峰值的徘徊.给出了S面控制器的推导过程,免疫遗传算法求解的一般过程.详细论述了S面控制器参数免疫遗传优化的具体实现.大量的仿真实验和湖中实验得到了确定性的结果.表明了此算法对于水下机器人运动非线性控制器的参数寻优能达到很好的效果.     

堤坝检测水下机器人运动控制系统的研究

堤坝检测水下机器人是为查找江、河、湖、海中各种堤坝的裂缝、破损等质量问题而设计的开架式水下机器人.文中介绍了堤坝检测水下机器人的运动控制系统,详细讨论了自动扫坝控制过程的运动控制算法和基于船位推算的导航方法.在综合考虑垂向和纵向自由度的运动能力的基础上,利用S面控制算法设计了运动控制器,使得水下机器人能够在垂向和纵向运动上取得协调,从而跟踪指定的路径.采用强跟踪卡尔曼滤波进行船位推算,解决了系统的导航问题.最后通过外场试验验证了整个运动控制系统的可行性和可靠性.     

基于改进层次分析法的AUV重规划决策问题的研究

在执行海洋勘查使命过程中，当局势发生变化时，自治式水下机器人应能迅速调整以适应局势的变化，并且在需要时，它应进行重规划决策以找到最优的应对策略从而保证使命的完满完成和自身的安全．自治式水下机器人的重规划决策是一个多约束条件下的动态优化问题，考虑到自治式水下机器人重规划决策时的主要约束条件，建立了分层递阶的重规划决策模型，分析了基于改进层次分析法的重规划决策过程，获得了满意的应对策略．仿真实验表明：改进层次分析法能够有效解决多约束条件下自治式水下机器人的重规划决策问题．     

水下机器人运动控制和仿真的数学模型

水下机器人是一个复杂的非线性对象，建立水下机器人普遍、规范、实用数学模型的问题备受关注，本文给出了这样一种模型，其特点是：（１）取类似线性系统状态方程的形式；（２）只涉及矩阵乘积运算；（３）为表达粘性水动力提出一合理简化方案；（４）把所有可能用于操作控制的量，便于进行多种操作控制；（５）考虑了海浪影响，所给出模型可直接用于控制和仿真。     

仿生水下机器人运动控制方法研究

近年来仿生技术在水下机器人上的应用已经成为水下机器人的重要研究方向之一.仿生水下机器人采用尾鳍提供前进动力和改变航向,比传统的桨舵具有高效性和高机动性.根据仿生水下机器人水池试验结果讨论了其运动性能,并在此基础上提出了仿生水下机器人运动控制方法,最后通过仿真试验验证了该方法.根据试验结果得出,针对现阶段仿生水下机器人的运动能力,其控制内容和控制方法是合理、有效的.研究和试验表明,符合实际的仿真模型与可行的运动控制方法使仿生水下机器人运动性能得到了不断的完善和改进;最终实现"仿生-Ⅰ"号的纵向速度控制、艏向控制和深度控制,从而使其具有大范围的转移能力.     

多AUVS协作分布式控制

多水下机器人系统中机器人之间的协调、协作问题的解决是多机器人系统走向实际应用的基本前提之一.针对多机器人协作问题,讨论了一种称为"市场"框架的多水下机器人系统分布式控制方法,给出了基本的假设、概念和优化过程,并在理论上对该框架的收敛性以及计算复杂度控制等基本特性进行了分析和证明.数值模拟主要针对该框架的优化能力、计算复杂度控制以及容错能力等方面进行了深入的试验分析.其结果与基于GA的集中式控制方法对比表明,基于"市场"框架的多水下机器人分布式控制方法与传统的集中控制方法相比具有更好的优化结果和更短的解算时间.     

智能水下机器人路径规划

介绍一实际智能水下机器人三维空间的路径规划，给现一种新的海洋环境表示地－海面区域分割环境建模方法，并对Ａ搜索算法进行了改进，提出了动态扩展搜索点的思想，使三维空间路径规划算法得以简化并易物实现。该方法在实际水下机器人的海试中进行了试验，并获得成功。     

逆系统理论在水下机器人控制中的应用

本文研究水下机器人的航行控制问题,水下机器人模型具有高度的非线性和强耦合,用古典的控制方法对其进行高质量的控制很难.本文将非线性系统综合的一种新方法——逆系统动态补偿解耦控制应用到水下机器人的航行控制中,并给出了理想的仿真结果.     

分段线性多开关时间次优控制系统的设计

提出一种新的时间次优控制系统的设计方法，利用分段线性近似构造了一个结构比较简单的开关函数，使系统在最大程度上逼近时间最优控制；同时在进入奇异振荡工作状态之前，自动由ＢＢＣ方式切换成线性控制，解决了切换试凑的困难。应用本文方法设计了某水下航行器航深时间次优控制系统并进行了仿真研究，仿真结果表明了本文方法的有效性。     

应用PSO和SVM的水下航行器黑箱建模

随着新型水下航行器不断涌现,现有水下航行器数学模型已难以与实际模型吻合.为更好了解新型水下航行器实际模型以及预测新型水下航行器运动,提出应用粒子群(particle swarm optimization,PSO)参数寻优和支持向量机(support vector machine,SVM)的水下航行器黑箱建模方法.首先根据水下航行器的运动状态信息和推进器力,应用支持向量机构造出之间的非线性映射关系,然后通过粒子群智能优化算法获得支持向量机的最佳参数组合,进而实现水下航行器的黑箱建模,最后根据推进器力是否时变,分别以新型四旋翼水下航行器的两种空间运动进行实验验证,并以均方根误差作为空间运动预测结果的评价标准.试验结果表明,基于粒子群参数寻优和支持向量机所构建的水下航行器黑箱模型对空间运动预测具有较小的均方根误差,空间运动预测结果与实际运动基本一致,所建黑箱模型与实际模型基本吻合,能有效预测水下航行器运动状态.     

A new robust fuzzy method for unmanned flying vehicle control

A new general robust fuzzy approach was presented to control the position and the attitude of unmanned flying vehicles(UFVs). Control of these vehicles was challenging due to their nonlinear underactuated behaviors. The proposed control system combined great advantages of generalized indirect adaptive sliding mode control(IASMC) and fuzzy control for the UFVs. An on-line adaptive tuning algorithm based on Lyapunov function and Barbalat lemma was designed, thus the stability of the system can be guaranteed. The chattering phenomenon in the sliding mode control was reduced and the steady error was also alleviated. The numerical results, for an underactuated quadcopter and a high speed underwater vehicle as case studies, indicate that the presented adaptive design of fuzzy sliding mode controller performs robustly in the presence of sensor noise and external disturbances. In addition, online unknown parameter estimation of the UFVs, such as ground effect and planing force especially in the cases with the Gaussian sensor noise with zero mean and standard deviation of 0.5 m and 0.1 rad and external disturbances with amplitude of 0.1 m/s2 and frequency of 0.2 Hz, is one of the advantages of this method. These estimated parameters are then used in the controller to improve the trajectory tracking performance.     

Adaptive robust controller for supercavitating vehicle using guaranteed cost theory

Regarding to the problems that supercavitating vehicles have special characteristics from traditional underwater vehicles,robust control problem was studied in this paper for the supercavitating vehicles with mismatched uncertainties.The nonlinear dynamic model was improved.For mismatched uncertainties,the robust sliding mode function was proposed based on guaranteed cost theory,and sufficient condition for the existence was given in terms of linear matrix inequality (LMI).Continuous sliding mode controller was designed,with an adaptive technology which was used to estimate the unknown upper bound of mismatched uncertainties.Meanwhile,upper bound of parameter uncertainties was not required.Simulation results demonstrated that the system responds rapidly and has good robust stability.Due to application of guaranteed cost theory,the controlled plant is not only stable but also guarantees an adequate level of performance.Therefore,it provides theoretical references for further study on control problems of supercavitating vehicles.     

水下运载器多变量鲁棒输出反馈控制方法

针对存在较大参数不确定性和仅具有位置、姿态测量的水下运载器的六自由度位姿控制难题,提出一种基于自适应平滑增益滑模观测器和多变量积分Backstepping控制器的非线性控制方法.解决水下运载器的鲁棒输出反馈控制问题,使用基于Lyapunov稳定性理论的设计方法保证观测器 控制器系统的稳定性.设计的自适应平滑增益滑模观测器,克服常规滑模观测器中所存在的高频颤振现象,从而获得较平滑的速度估计值.当存在模型不确定性和有界未知干扰时,可以保证速度估计误差以指数速率收敛至较小的球域内.设计的多变量积分Backstepping控制器,可以保证系统的跟踪误差同样收敛至较小的球域内.以浙江大学正在研制的海王号ROV六自由度控制为研究对象,使用所提出的控制方法与传统PID控制器进行对比仿真研究.仿真结果表明,当存在较大参数不确定性、较强未知外干扰和测量噪声时,所提出的控制方法具有较强的鲁棒性能,可以很好地跟踪参考轨迹,获得较好的动态性能和稳态控制精度.性能明显优于常规PID控制器,并且解决了PID控制器所存在的转艏角设定值不能大于90°的问题.     

潜器大纵倾角运动控制技术

在４自由度运动定位的基础上,提出以５自由度代替自由度空间运动的设想,解决在失事艇状态为斜卧时对接问题,从而避免救生艇进行有横倾的运动,减轻噪艇员复杂的操作负担。文章从立体几何的角度和神经网络的角度阐述该设想的可行性,并给出计算机仿真结果。     

水下超高速航行体的动力学建模及控制问题研究

水下超高速航行体的全部或大部分表面被空泡包裹,只有小部分与水接触.空泡的包裹一方面使航行体的阻力显著降低以达到高速航行的目的,另一方面又改变了航行体所受流体动力及其力矩的平衡方式,给超高速水下航行体的建模和控制带来了很大难度.该文采用空化器和尾部控制面联合控制方法,建立了水下超高速航行体纵向运动的动力学及控制模型.利用鲁棒性极点配置算法设计控制器并对该系统进行了仿真分析.分析结果表明,该控制方法能够明显改善超高速航行体系统的动态稳定性和可控品质,为进一步研究水下超高速航行体的动力学控制问题提供了一定的理论依据.     

极大似然法在水下机器人系统辨识中的应用

主要探讨了极大似然参数估计法及其松驰算法,将它们应用于水下机器人运动模型的辨识中,利用水下机器人的海上类Z型试验数据,辨识得到某智能水下机器人水动力系数,并对比了两种算法的结果,可看出松驰算法有更好的收敛性,然后用辨识得到的水动力系数建立了水下机器人的运动模型,用运动仿真进行了模型验证,仿真结果表明辨识得到原数学模型是可靠的,本方法对于水下机器人操纵与自适应控制的研究有较大的实际意义。