基于领导跟随的欠驱动船舶编队跟踪控制

针对具有三自由度欠驱动水面船舶编队控制问题,提出一种基于领导跟随 ( Leader /Follower) 结构的欠驱动水面船舶队形跟踪控制方法。当系统接收到队形控制指令, 每个欠驱动水面船舶按照自己在编队中的角色进行控制,其中Leader 根据任务中的队形指令 完成航迹跟踪控制,而Followers 则依据Leader 的信息和航行中任务中的队形指令完成航迹跟 踪控制。在航迹跟踪控制中,根据期望队形任务指令为每个船舶设计需要跟踪的参考路径和 速度指令; 基于Lyapunov 理论和重定义输出方法设计非线性速度控制器和路径跟踪控制器跟 踪设计路径和速度指令; 稳定性分析证明了队形跟踪误差是一致最终稳定的。仿真结果表明 船舶可以跟踪任意期望曲线队形,从而验证了方法的有效性。     

欠驱动水面船舶运动控制研究综述

针对欠驱动水面船舶运动控制的发展状况,将其归类为镇定控制、航迹跟踪和编队控制3个专题.从σ变换法、齐次法、反步法、自动靠泊控制等方面剖析了镇定控制专题;从输出反馈,状态反馈、输出重定义、级联方法、船舶运动数学模型等方面剖析了航迹跟踪专题中的轨迹跟踪和路径跟踪问题;从行为控制方法、引导者跟随方法、虚拟结构方法等方面剖析了编队控制专题.最后,对该领域的进一步研究方向作了几点展望.     

欠驱动水面船舶运动控制研究综述

针对欠驱动水面船舶运动控制的发展状况,将其归类为镇定控制,航迹跟踪和编队控制3个专题.从σ-变换法,齐次法,反步法,自动靠泊控制等方面剖析了镇定控制专题;从输出反馈,状态反馈,输出重定义,级联方法,船舶运动数学模型等方面剖析了航迹跟踪专题中的轨迹跟踪和路径跟踪问题;从行为控制方法,引导者跟随方法,虚拟结构方法等方面剖析了编队控制专题.最后,对该领域的进一步研究方向作了几点展望.

     

欠驱动船舶的运动规划和全局指数跟踪控制

针对目前欠驱动船舶航迹跟踪控制难以实现跟踪任意可行航迹问题,提出一种运动规划方法。利用多项式拟合,并结合船舶动力学模型,通过离散期望点规划出操作性可实现的全部期望姿态。同时,为实现欠驱动船舶的航迹快速跟踪控制,提出一种全局指数航迹跟踪控制律。引入微分同胚变换,建立两个级联的子系统构成的航迹跟踪误差动态方程;基于反步法的设计原理,运用Lyapunov直接方法对变换后的误差系统设计了全局指数航迹跟踪控制律。仿真结果验证了所提出的全局指数航迹跟踪控制律能够有效实现跟踪任意可行航迹。     

基于PID算法的船舶航迹自动控制

为实现船舶的航迹自动控制,利用视线引导策略,建立了航迹跟踪方法,在推导船舶动力学模型的基础上,设计了船舶航向PID控制器。海上航迹自动控制实验表明该方法能够用于船舶的航迹控制,实现了船舶航迹自动控制的目标。     

风浪流干扰及参数不确定欠驱动船舶航迹跟踪的滑模鲁棒控制

针对欠驱动船舶的模型参数不确定和外界风浪流干扰问题,为实现水平面的航迹跟踪控制,提出了一种基于上下界的滑模控制方法.首先利用反步法将控制器的设计分解为运动学回路和动力学回路.其次,在运动学回路中为实现位置跟踪误差的收敛,根据期望航迹与当前位置信息,设计船舶的纵向与侧移参考速度,并视为镇定位置误差的虚拟控制律;在动力学回路中,将虚拟控制律作为新的跟踪目标,利用滑模方法设计实际控制律实现对参考速度的跟踪控制,最终实现了欠驱动船舶的跟踪控制.最后对有无干扰下的欠驱动船模分别进行了仿真实验,仿真结果证明了控制律的有效性.     

基于广义预测控制的船舶编队

针对多船舶之间的编队合作问题,对船舶的编队控制进行研究。利用广义预测控制方法在船舶运行中对理想路径曲线进行预测,得出船舶的运动控制策略;通过运用领导-跟随者编队方法,在Cartesian坐标系下建立船舶编队控制模型,基于这种模型建立一系列船舶航迹约束,得到船队跟随者成员的控制策略。同时在船舶运行过程中,加入风浪的扰动,进行模拟仿真,得到船队的运行轨迹。     

一种船队编队控制的backstepping 方法

针对多船舶之间的协同合作问题,对船舶的编队控制进行了研究.通过运用领航者-跟随者方法,选择在Cartesian坐标系下建立新的船队编队控制模型,基于这种模型,利用反步技术和李亚普诺夫理论设计了一种可使船队按期望队形航行的船队编队控制器.通过考虑领队船舶与跟随船舶的航向角误差,保证了跟随船舶航向角的稳定性,从而避免其在航行过程中不断振荡.最后对所设计的控制方法的正确性及有效性进行了仿真验证.     

带有输出约束的水面船舶实际有限时间控制

考虑带有输出约束的水面船舶系统,提出一种自适应神经网络航迹跟踪实际有限时间控制算法.基于反步法设计有限时间控制律,构造障碍李雅普诺夫函数处理输出约束问题,采用神经网络逼近船舶模型中的不确定信息.在控制算法递推过程中,通过设计一个关于跟踪误差的可微幂函数来避免控制器中的奇异问题.借助李雅普诺夫稳定性分析理论,证明了航迹跟踪误差在有限时间内收敛到有界的邻域内.最后,以一艘1:70的比例模型船作为仿真对象,来验证所提出的航迹跟踪实际有限时间控制算法的有效性.     

基于云模型的船舶航迹跟踪滑模控制

为解决船舶路径跟踪控制中存在的非线性问题,引入滑模控制实现船舶的轨迹跟踪。采用云模型与指数趋近律结合的方法,设计基于云模型的轨迹跟踪智能滑模控制器,以减少滑模控制中的抖振。仿真结果表明,通过云模型的不确定性推理,智能滑模控制器能够动态调整滑模控制的趋近速度,抑制抖振的产生,船舶动态轨迹跟踪性能良好,能够精确控制航迹。     

考虑扰动及模型不确定的无人船路径跟踪控制

针对外界扰动与模型不确定因素影响下的无人船路径跟踪控制问题,引入Serret-Frenet坐标系对无人船的路径跟踪问题进行数学描述,根据给定的期望跟踪路线与当前无人船的位置信息,利用李雅普诺夫直接法设计无人船航行速度与航向角度的期望值作为路径跟踪的虚拟控制律,通过设计滑模控制器实现对虚拟控制量的误差跟踪控制,通过设计切换函数避免无人船的控制量出现饱和或抖振现象,进而降低模型不确定及干扰对路径跟踪控制的影响。仿真实验表明,设计的控制器可在外界时变扰动与模型不确定的前提下完成对给定路线的理想跟踪。     

海上横向补给系统多体动力学建模与仿真分析

海上横向补给是目前舰船补给的主要方式,通过接收船与发送船之间架设的恒张力高架索进行货物转运.本文利用多体动力学理论建立了海上横向补给系统的动力学模型.该系统由舰船、货物、滑轮以及高架索组成,对舰船、货物和滑轮采用刚体假设,对高架索采用几何精确梁理论进行建模.基于赫兹理论建立了滑轮与高架索之间的接触模型.为提升计算效率,针对恒张力索的特点提出了一种简化的力元模型,并通过与精确模型的对比验证了该简化模型的准确性.利用简化模型,对复杂海况下的补给作业进行了全过程动力学仿真,分析了船舶运动、补给距离、张紧力对转运过程的影响.结果表明在海况条件恶劣、补给距离长、张紧力过小时,无法保证转运过程安全作业.     

修磨机器人的最优控制法

基于最优控制理论,本文为磨平钢坯细微缝隙的修磨机器人(SGR)提出了最优轨线跟踪控制法和最优扰动控制法,最优轨线跟踪控制使机器人按最优法则跟踪一期望轨线;最优扰动控制利用前馈力矩作为总体补偿和一个按最优法则确定的反馈力矩校正跟踪误差。最后,给出用计算机仿真结果验证了本文提出的最优控制法的有效性。     

波浪干扰下固定双桨无人水面艇的路径跟踪方法

无人水面艇在路径跟踪过程中容易受到波浪环境的干扰,针对该问题提出一种基于可变船长比的直线路径跟踪方法。首先,建立了固定双桨无人水面艇在二阶波浪力下的运动模型;根据视距导航原理,设计了跟踪期望航向角的PD控制器,通过融合路径方向,距离偏差及船长比等信息,实时调整左右两侧推进电机的控制电压,实现无人水面艇直线路径跟踪。然后,针对不同船长比对直线路径跟踪的影响,在PD控制器中增加了以跟踪过程中的距离偏差和距离偏差变化率为输入,以船长比为输出的模糊推理模块,对船长比进行实时在线调整,提高了系统的抗波浪干扰性能。仿真结果表明,较之固定船长比的路径跟踪方法,所提方法使跟踪过程具有更好的动态性能,并且可减小波浪干扰下的路径跟踪偏差,有效克服波浪的干扰作用。     

控制饱和约束下的自主水面船编队

针对含模型不确定与海洋环境干扰的自主水面船编队时的控制饱和约束问题,提出了一种基于广义饱和函数的编队控制算法.首先,采用虚拟领航–跟随编队策略,并基于反步法以及更为通用的广义饱和函数设计了编队控制器,突破了采用特定饱和函数的局限性.再针对自主水面船的特点,利用单隐层神经网络对模型不确定和海洋环境干扰进行了在线逼近.然后根据Lyapouv稳定性理论证明了闭环系统所有状态的有界性,并可通过选择合适的设计参数使跟踪误差为任意小.最后,通过对比仿真结果验证了本文所提出的抗饱和编队控制算法的有效性.     

飞机牵引机器人路径跟踪模糊控制

为了提高飞机地面自动导航路径跟踪的控制精度,提出了基于模糊自适应控制的智能飞机牵引机器人纯追踪路径跟踪方法。首先建立了牵引机器人-飞机两轮简化模型,进行了路径跟踪运动分析;基于此分析,以牵引机器人-飞机系统运动速度和轨迹误差为输入,以预测距离为输出,通过模糊自适应控制实时调整纯追踪算法预测距离,设计了基于自适应模糊控制的路径跟踪控制器;通过几何仿真和虚拟样机仿真两种方法分别对所提出的方法进行了验证。结果表明,牵引机器人-飞机系统在变速运动时,路径跟踪的轨迹误差能控制在0.5 m左右,完全满足飞机地面自动牵引滑行的精度要求,验证了所提方法的有效性和适应性。     

满足复杂要求的机器人最优巡回控制系统设计与实现

本文结合线性时序逻辑理论与模糊控制方法,设计并实现了一种满足复杂任务需求的移动机器人巡回控制系统,它既能够针对复杂时序任务进行路径规划,又能够对机器人进行模糊控制实现路径跟踪.首先,基于线性时序逻辑理论,确定能够满足复杂巡回任务需求的全局最优路径.接着,根据所获得的最优路径,采用模糊控制方法设计轨迹跟踪控制器,使其通过实时位姿反馈对机器人进行路径跟踪控制.仿真结果验证了移动机器人巡回控制系统的有效性.最后,基于E-Puck移动机器人构建了能够满足复杂任务需求的移动机器人巡回控制实验系统.基于所提出的最优巡回路径规划算法和模糊控制器设计方法,通过图像处理、数据通信、算法加载等软件模块的实现完成了满足复杂任务需求的移动机器人巡回控制.     

领航跟随法和势函数组合的船舶编队控制

多船舶作业在海上越来越盛行,最常见的运行方式就是船舶编队协控,本文考虑领航跟随法过于集中控制的不足,将船舶编队分为领航–跟随控制阶段和跟随–跟随控制两个阶段.在第1个阶段使用多输入滑模控制以及船舶响应模型进行控制律分配;第2阶段引入势函数方法,结合图形拓扑来约束跟随船舶间的间距,提高队形的稳固性,弥补单一领航跟随法的不足,并通过Lyapunov函数验证系统控制的稳定性.后期通过直线和曲线路径的仿真验证,得到编队船舶的各状态历时趋势,船舶间状态最终达到一致性,实现队形保持的目标,得出良好效果,验证了算法的有效性.