基于RBF神经网络的自主水下航行器模型预测路径跟踪控制

针对自主水下航行器(AUV)的模型不确定性和多约束的特点，设计了基于径向基(RBF)神经网络的模型预测控制器。在使用模型预测控制(MPC)进行路径跟踪控制的基础上，利用实时测量数据在线训练RBF神经网络，对AUV模型不确定性进行补偿，抑制了模型不确定性对模型预测控制器的干扰，减小了系统的超调量和跟踪误差。仿真结果表明，基于RBF-MPC路径跟踪控制算法与经典的MPC算法相比，具有更好的暂态和稳态性能。     

基于距离量测的主从式AUV协同定位系统观测性研究

研究了基于距离量测的主从式自主水下航行器(AUV)协同定位系统观测性问题。主AUV可以利用装备的高精度导航设备进行精确定位,从AUV装备低精度导航设备,需融合主从AUV之间的距离量测进行水下定位。针对控制输入对协同定位系统可观测性的影响,建立了从AUV在主AUV体坐标系中的运动学模型,并选取主从AUV间的距离值作为观测量,利用基于Lie导数的非线性系统观测性秩判据分析了不同控制输入下协同定位系统的观测性。仿真结果表明,对于可观测的协同定位系统,从AUV的位置估计具有良好的收敛性和定位精度。     

水下自主航行器垂直面运动的预测控制

针对近水面海浪干扰下水下自主航行器(AUV)的深度跟踪及姿态控制问题,提出一种基于非线性降维状态观测器(ROSO)的预测控制.通过非奇异坐标变换实现AUV垂直面运动非线性模型的状态估计,并将状态估计结果用于预测控制及其预测模型的在线线性化过程中,在仿真实验中对ROSO与全维状态观测器(FOSO)的状态估计结果进行对比,同时也对比了所提出的基于在线线性化的预测控制(PC-NMOL)与现有的非线性预测控制(NPC)的控制效果.仿真结果证明了所提出的方法可以得到精确的状态估计,且具有动态响应快,对外部扰动鲁棒性强的特点.     

应答器未校准情况下的水下长基线定位方法研究

针对应答器未校准情况下的水下长基线定位问题，提出了基于无迹卡尔曼滤波的同步定位与地图创建方法。应用随机地图技术，将自主水下航行器的位置坐标和应答器的位置坐标组成增广状态矢量，以到应答器的距离为测量值，用无迹卡尔曼滤波进行求解。该方法是一种实时在线算法，充分利用了速度和航向信息，克服了非线性方程方法存在的状态矢量维数高、求解易发散的问题，并且对水下航行器的运动方式没有约束。仿真结果表明，它能够抑制航位推算法定位的累积误差，提供水下长期的、误差有界的定位信息。     

一种新的AUV路径跟踪控制方法

研究了自主水下航行器(AUV)的路径跟踪问题,将跟踪控制问题分为导引和控制2部分.导引部分基于视线导引(Line of Sight)原理输出AUV的参考航向,针对AUV的参数不确定性及海流干扰等特点,航向控制器采用变结构控制律计算舵角控制输入,在此基础上,将航向控制器与路径跟踪控制器并行结合,构造了文中提出的混合型路径跟踪控制器.文章从理论上证明了控制律的稳定性,仿真结果表明,所设计的控制律可以保证AUV沿期望路径航行,路径跟踪误差快速收敛.     

封面图片说明

<正>封面图片来自本期论文"海流干扰下的欠驱动AUV三维路径跟踪控制",是欠驱动自主水下航行器(AUV)在三维空间进行路径跟踪时的水平面控制原理图,其在垂直面同理.首先,应用非线性级联理论设计了路径跟踪控制系统,该控制系统分为运动学控制器和动力学控制器两部分.然后,在运动学控制器中基于Serret-Frenet坐标系引入虚拟向导并建立三维路径跟踪误差模型,设计了具有自适应律的     

海流干扰下的欠驱动AUV三维路径跟踪控制

为解决存在海流干扰和模型不确定性情况下欠驱动自主水下航行器(AUV)的三维路径跟踪控制问题,首先在Serret-Frenet坐标系下,基于虚拟向导建立了跟踪误差模型.然后,在运动学控制器中基于李雅普诺夫(Lyapunov)理论和反步法设计具有自适应律的虚拟向导和一种改进的积分视线法(ILOS)导引律,克服了海流的干扰并减少了超调.应用反步自适应滑模控制(BASMC)理论设计动力学控制器,保证了系统的稳定性和鲁棒性.最后,应用非线性级联理论证明了整个控制系统的闭环稳定性.仿真结果表明:基于AUV与流体的相对速度来实现的控制律,便于工程应用.该控制器能够有效克服海流和模型不确定的影响,实现对三维路径的跟踪.     

全驱动式自主水下航行器有限时间编队控制

为了研究了全驱动式自主水下航行器有限时间编队控制问题。针对多AUV编队控制过程中的可变通信拓扑情形,首先通过预定义AUV间的通信距离,将多AUV系统建模为通信拓扑可变系统。其次对AUV三维运动学和动力学进行建模;为实现多AUV编队控制的有限时间控制,提出一种有限时间的二阶一致性控制算法,对AUV的速度(线速度和角速度)和位置(平移和角度)进行一致性协同控制,利用一致性协同后的速度量和位置量以及各AUV的动力学方程,求解各AUV的推力和推力矩。最后通过对可变通信拓扑情形下的多AUV编队控制进行了数值仿真,验证了所提有限时间编队控制策略的有效性。     

编队约束下的AUV路径跟踪

研究了自主水下航行器(AUV)编队约束下的路径跟踪问题。将整个系统的误差分为2部分:①各AUV自身的跟踪误差;②AUV的编队误差;在此基础上,针对AUV的参数不确定性以及海流干扰等特点,提出了一种自适应变结构控制律,在滑动面的选取中,同时考虑了AUV的路径跟踪误差以及AUV之间的编队误差。文章从理论上证明了控制律的稳定性,并讨论了控制律实现中路径参数更新律的选取问题。仿真结果表明,所设计的控制律可以使AUV克服海流干扰,达到编队航行的目的,并且考虑编队约束时AUV相互之间的的距离误差比不考虑编队约束时的误差小。     

自主水下航行器轴向运动的自适应反演滑模控制

研究了自主水下航行器在未知海流作用下的轴向运动跟踪控制问题,采用非线性反演设计技术,引入自适应机制在线估计未知海流速度和模型参数,用滑模控制克服系统中的未建模动态特性,保证了轴向位置跟踪误差的全局渐近稳定性。仿真结果表明,该自适应反演滑模控制具有良好的鲁棒性和自适应性。     

一种基于UKF的AUV移动声学网络协同导航方法

针对扩展卡尔曼滤波(EKF)在自主水下航行器(AUV)移动声学网络协同导航中,存在强非线性观测方程条件下线性化误差大、计算复杂等缺点,文章提出一种基于无迹卡尔曼滤波(UKF)的AUV移动声学网络协同导航方法.利用移动长基线原理和UKF方法,建立基于UKF的协同导航滤波算法,并通过仿真实验与传统的EKF协同导航算法进行对比.仿真结果表明,基于UKF的协同导航算法能明显减小导航定位误差,在导航精度上优于EKF方法,是AUV协同导航中一种更加简单有效的导航滤波方法.     

基于协同对抗的水下博弈策略优化

针对多自主水下航行器(autonomous underwater vehicle,AUV)的水下协同对抗博弈问题,以博弈论为基础,多AUV的多次对抗为作战背景,从同时考虑敌我双方对抗策略的角度出发,对多AUV的动态协同攻防对抗策略问题进行了研究。考虑生存概率指标函数和水下环境影响,建立了基于动态博弈的多自主水下航行器的单元目标分配模型,构建博弈矩阵。在此基础上,采用粒子群算法,通过求解博弈模型的纳什均衡解,形成博弈对抗双方的最优攻防决策方案,并对所研究的攻防策略优化方法进行了仿真验证,结果表明该模型和方法的可行性和有效性。     

模拟退火方差缩减的FastSLAM算法在AUV导航定位中的应用

由于标准FastSLAM中存在粒子退化及重采样引起的粒子贫化,导致自主水下航行器(AUV)位置估计精度严重下降的问题,提出了一种基于粒子权值方差缩减的FastSLAM算法.利用模拟退火的降温函数产生自适应指数渐消因子来降低粒子权值的方差,进而增加有效粒子数,以此取代标准FastSLAM中的重采样步骤.建立AUV的运动学模型、特征模型及传感器的测量模型,通过霍夫变换进行特征提取.利用方差缩减FastSLAM算法,基于海试数据进行了AUV同步定位与构图仿真试验,结果表明所提方法能够保证粒子的多样性,并且降低粒子的退化程度,提高了AUV定位与地图构建系统的准确性及稳定性.     

基于单信标测距的水下导航系统可观测性分析

导航问题是发展自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)所面临的难题之一。针对单信标测距导航方法中的系统可观测性问题,文章通过建立AUV的三维运动学模型,利用线性时变系统的局部可观测性理论得到了导航系统关于AUV三维运动路径的可观测性条件,在此条件下实现了对AUV运动位置的在线估计。仿真结果表明,对于满足导航系统可测观性的运动路径,AUV的位置估计具有良好的收敛性和定位精度。     

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.     

单信标距离测量的AUV导航方法

针对单信标测距导航方法中的系统可观测性和洋流干扰问题,通过建立自主水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle,AUV）的三维运动学模型,利用线性时变系统的局部可观测性理论得到了系统关于AUV运动路径的可观测性条件,并采用扩展Kalman滤波导航算法实现了对AUV的位置和未知洋流的在线估计.仿真结果表明,对于满足系统可观测性的运动路径,该导航方法可有效抑制洋流干扰下系统的定位误差增长,使定位误差保持有界,并对未知洋流做出较为准确的估计.     

约束条件下基于满意模型预测控制的动基座水下无人航行器对接控制

针对水下无人航行器与运动母船对接过程中存在多种复杂约束,单一优化目标无法满足多目标同时最优的问题,本文通过将满意控制思想引入到模型预测控制中,设计了一种约束条件下的多目标多自由度的满意模型预测控制对接控制器.首先,对动基座水下无人航行器对接过程中的多种复杂条件进行详细分析.然后,将水下无人航行器模型按照满意思想进行分布...     

基于信息耦合度的群集式AUV分群控制算法

自主水下航行器(AUV)的分群控制,表征为AUV群集在外部刺激下分裂成多个子群的行为。针对无协商、指派及中心控制的AUV自发分群问题,提出一种基于信息耦合度的分布式分群控制算法。该算法利用信息耦合度表示AUV间的相互关联程度,并根据信息耦合度的差异动态调节个体运动倾向性,使得AUV在外部刺激下运动行为产生分化,从而实现无中心控制下AUV群集的自发分群运动。仿真实验验证了该算法的可行性和有效性。     

AUV的精确航迹跟踪系统的鲁棒控制

为了解决外界海洋环境干扰下水下无人航行器(AUV)的精确航迹跟踪控制问题,针对欠驱动AUV动力学运动模型不确定性,将三维航迹跟踪控制分解为水平面和垂直面跟踪控制问题,分别建立了AUV水平面和垂直面动力学模型,在设计模型时考虑了线性近似产生的误差、不确定性和外界干扰的影响,根据鲁棒H∞控制理论设计了航向控制器和纵倾控制器.仿真结果表明,系统存在外界海流情况下,AUV能够克服外界干扰海流的影响运动到设定航迹上,跟踪误差收敛于0,控制效果良好.文中所设计的鲁棒H∞控制器能够有效克服外界干扰的影响,较精确的实现了航迹跟踪.     

基于反馈线性化的AUV三维轨迹跟踪滑模控制

针对自主式水下航行器非线性、强耦合、模型不确定特性以及复杂海洋环境下的未知干扰问题,本文提出了基于微分几何的精确反馈线性化的滑模控制方法.利用反馈线性化方法将非线性强耦合的航行器模型转换成线性模型,减少非线性航行器带来的系统误差;设计了比例积分观测器,完成反馈线性化模型在复杂海洋环境下的受到的未知干扰的精确观测;在比例...