主-从自治海上航行器有限时间同步运动控制

研究主-从自治海上航行器有限时间同步运动问题,提出一种可实现主-从自治海上航行器的位置、姿态、线速度、角速度、线加速度和角加速度等运动状态有限时间同步的连续状态反馈控制方法.首先,通过建立主、从自治海上航行器的动力学模型,给出了主-从同步运动控制方案;然后,采用齐次系统有限时间稳定性理论,为从自治海上航行器设计了一种连续状态反馈控制器,以及在该控制器下实现主-从自治海上航行器有限时间同步运动的充分性判据,并通过实例仿真进行了验证.     

主-从自治海上航行器有限时间同步运动控制

研究主-从自治海上航行器有限时间同步运动问题, 提出一种可实现主-从自治海上航行器的位置、姿态、线速度、角速度、线加速度和角加速度等运动状态有限时间同步的连续状态反馈控制方法. 首先, 通过建立主、从自治海上航行器的动力学模型, 给出了主-从同步运动控制方案; 然后, 采用齐次系统有限时间稳定性理论, 为从自治海上航行器设计了一种连续状态反馈控制器, 以及在该控制器下实现主-从自治海上航行器有限时间同步运动的充分性判据, 并通过实例仿真进行了验证.     

基于事件触发的AUVs固定时间编队控制

针对多自主水下航行器编队系统受限于有限的通信资源及收敛速度慢等问题, 提出一种基于事件触发的自主水下航行器固定时间领航?跟随编队控制方法. 首先, 将动态面控制算法与反步法结合, 消除“计算膨胀”问题; 其次, 为节约有限通信资源, 将事件触发通讯机制和固定时间理论引入多自主水下航行器编队控制中, 设计编队控制器, 实现编队系统的固定时间稳定, 且系统收敛时间与初始状态无关, 并通过理论证明无Zeno行为; 最后, 对4艘自主水下航行器的编队进行仿真实验, 验证算法的有效性.     

基于动态边界层的水下航行器滑模轨迹跟踪

滑模控制方法的不变性和鲁棒性特性能够克服水下航行器轨迹跟踪过程中的参数不确定性以及摄动的影响,但在实际应用中存在执行器受限问题常常会导致滑动模态的丧失.为了抑制执行器的速率与幅值限制对滑模控制器的影响,采用二阶滑模控制的水下航行器轨迹跟踪控制,并用了边界层厚度动态控制的方法解决存在速率和幅值限制的有限带宽的执行器的滑模控制器的设计,通过增加边界层厚度,控制器的轨迹跟踪能力有所减弱.但是系统状态仍然保持在边界层内,保证了系统的稳定性.通过仿真证明了水下航行器的姿态角跟踪控制仿真证明了上述结论的正确性.     

AUV深度的神经网络辨识和学习控制仿真研究

将自主水下航行器（AUV）的深度控制问题转换为对非线性严格反馈系统的分析,提出了一种结合反步法和确定学习理论的自适应学习控制方法。通过反步法设计了一种输入状态稳定（ISS）神经网络控制器,其中引入小增益定理,避免了控制器设计中存在的奇异值问题,并在满足持续激励（PE）条件下,利用神经网络辨识实现了对系统未知动态的局部准确逼近和部分神经网络权值的收敛,保证了闭环系统的稳定。将从动态模式中学到的知识静态保存,提取动态特征设计学习控制器,仿真结果表明,该控制器避免了执行同样任务时的重复训练,改善了系统控制性能,验证了所提控制方法的有效性。     

采用一致性算法与虚拟结构的多自主水下航行器编队控制

采用一致性算法与虚拟结构法研究了多自主水下航行器(AUV)小尺度编队控制问题.首先针对各自主水下航行器拥有不同虚拟领航者信息(参考信息)的情况,通过对各AUV拥有的不一致参考信息进行一致性协商而达到状态一致.其次,基于虚拟结构思想采用坐标变换将各AUV相对于虚拟领航者的相对位置转换为各自的期望位置,并设计了一种有限时间跟踪控制律以确保各AUV能在有限时间内跟踪上其期望轨迹,从而实现了多AUV的小尺度有限时间编队控制.最后仿真实验验证了控制策略的有效性.     

无刷直流电动机系统的有限时间同步

有限时间同步能够确保两个系统在有限的时间内实现同步,具有重要的研究意义.但常见的控制器往往只能确保两个系统渐近同步,而能够实现有限时间同步的控制器目前尚不多见,且存在控制器复杂,不连续易产生抖振现象等缺陷.为此,本文设计了一种简单连续的有限时间同步控制器,实现了主–从无刷直流电动机系统(the brushless DC motor system,BLDCM)的有限时间同步.首先建立了基于该控制器的主–从有限时间同步框架.然后,从理论上证明了两个相同的BLDCM系统有限时间同步的充分性同步判据.最后,通过数值实例验证了所得判据的有效性.     

海浪扰动下水下航行器的动力定位性能分析

水下航行器动力定位是通过对水下航行器的多个螺旋桨推进器的转速、推力进行控制调节以抵御外界环境扰动,体现了水下航行器在外界环境扰动下执行各种任务的能力.通过对随机波浪扰动下的水下航行器前向动力定位进行建模仿真,分析得到各个状态特性与环境扰动分量对水下航行器动力定位性能的影响.进行了水下航行器的运动方程和螺旋桨动力学特性的精确建模;再针对波频扰动下的变参数问题以及控制器的鲁棒性和自适应性要求,建立了水下航行器动力定位滑模控制器;最后,将PM谱的随机波浪扰动应用于动力定位仿真研究,仿真结果显示,螺旋桨的动力学特性、幅值限制以及波浪的流速与加速度信息直接影响了水下航行器的动力定位性能.     

基于两步控制策略的混沌系统全局有限时间同步

本文研究了无刷直流电机(brushless direct current motor,BLDCM)混沌系统的全局有限时间同步问题.利用混沌吸引子的有界性,提出了两步控制策略.首先不施加控制,让主–从混沌系统各自的轨迹收敛到各自的吸引子中,并估计了吸引子的界和收敛时间;再对收敛到吸引子的从系统施加状态误差反馈控制,根据有限时间稳定性理论,得出该控制器在满足一定条件时,两个相同的混沌系统可以快速达到有限时间同步.这种方法在主从系统的初始值相差很大的情况下可以大大减少控制成本,并且可以并估计同步时间.文章最后用仿真结果验证了所得判据的可行性和有效性.     

多自主水下航行器系统一致性编队跟踪控制

研究了自主水下航行器的编队路径跟踪问题.基于无源性理论与一致性跟踪理论,在仅有部分AUV获取编队速度信息情形下,设计一种分布式控制律,实现了集群AUV的一致性编队跟踪.控制律分为2个部分:一部分基于无源性同步原理,建立了协同误差到跟踪误差的无源性通道;另一部分为一致性协同跟踪控制器,保证每个AUV相对于虚拟领航者的不一致参考信息通过协商达到最终一致状态.文章应用Nested Matrosov定理证明了整个闭环系统的稳定性,仿真结果验证了上述方法的有效性和可行性.     

混合驱动水下滑翔器主从互转式应急控制技术研究

水下滑翔器是一种长续航新型水下机器人,利用其高效的驱动方式能够航行数月,因而相比其他无人水下自主航行器,滑翔器控制系统的可靠性显得尤为关键。根据水下滑翔器长续航的工作需求,结合其分布式控制系统的架构形式,设计了一种主从互转式应急控制技术。通过CPU互监控以及建立公共存储区等手段,实现了控制器异常情况下的非复位式热切换,保证了滑翔器重要动作部件的正常运行。试验结果表明,利用主从互转式控制方式,可以极大的减小了控制系统中主CPU宕机对滑翔器自主运行的影响,增加水下滑翔器的安全性能。     

舵桨联合操纵水下机器人运动控制研究

水下机器人空间运动具有耦合性和非线性等特点,具有良好品质的运动控制器是水下机器人完成各种作业的前提.针对某舵桨联合操纵小型自主式水下机器人运动控制问题进行了研究.对速度,深度和艏向控制系统进行了介绍,根据控制需求,建立了水下机器人动力学模型,对执行机构进行了描述,设计了水下机器人滑模控制方案,采用变速趋近项代替一般指数...     

基于自适应Backstepping的欠驱动AUV三维航迹跟踪控制

为了实现欠驱动自治水下机器人（AUV）三维航迹跟踪控制,基于非完整系统理论分析了AUV缺少横向推进器时的欠驱动控制系统特性,并验证了欠驱动AUV存在加速度约束不可积性.基于李亚普诺夫稳定性理论,利用自适应Backstepping设计连续时变的航迹点跟踪控制器,以抑制外界海流的干扰.仿真实验表明,所设计的控制器能实现欠驱动AUV对一序列三维航迹点的渐近镇定,并且航迹跟踪的精确性和鲁棒性明显优于PID控制.     

AUV辅助的水下传感器网络时钟同步算法

针对当前水下传感器网络中的时钟同步难题,设计了一种三元阵被动定位自主水下航行器（ AUV）模型,并基于此模型提出了AUV辅助的时钟同步（ AUV-Sync）算法。该算法通过AUV与节点之间相对运动过程中进行的信息交换来对节点相对距离进行估计,进而基于相对距离计算单向传播时延来降低由于节点移动性所导致的误差。最后,通过两轮加权最小二乘法进行线性回归来估计时钟同步的参数。仿真结果表明：在存在节点漂移的动态水下传感器网络环境中,该算法较其他相关算法有更高的精度。     

Experimental Verification of a Drift Controller for Autonomous Vehicle Tracking: a Circular Trajectory Using LQR Method

This study develops an autonomous vehicle control method that enables it to perform a drift maneuver which is an expert driving technique consisting of sliding the rear wheel intentionally for fast cornering. By developing an autonomous control algorithm for such an agile maneuver, the safety of the future autonomous vehicle on extreme conditions such as slippery road, will be increased. Drift equilibrium states are derived to find the suitable feedforward control input for the scale car to enter the drifting region. In addition, a feedback controller is designed based on the linear quadratic regulator method in order to track the circular trajectory and maintain drift equilibrium states. To validate the performance of the developed control algorithm a 1:10 scale car experimental platform is developed with on-board control and sensor system. The feasibility of the developed method for the autonomous vehicle is confirmed through both simulation and experiments following circular trajectories while maintaining the desired equilibrium states.

     

过渡目标值的非线性PID对自治水下机器人变深运动的稳定控制

针对传统PID在控制自治水下机器人(autonomous underwater vehicle,AUV)变深运动时易出现超调、大幅波动等问题,提出一种具有过渡目标值过程来调节误差反馈的非线性PID控制器.在分析传统PID控制下系统出现超调原因的基础上,对系统目标值安排过渡过程,利用系统输出跟踪过渡后的目标值进行误差反馈控制.通过赫尔维兹判据证明了系统稳定性,仿真验证了控制的可行性.最后通过湖上试验验证其工程可行性与实用性,得出在非线性过渡目标值的PID控制下,系统的动态响应特性得以优化,变深超调和波动问题明显改善,可实现AUV平稳地变深运动控制.     

基于神经网络的水下机器人三维航迹跟踪控制

本文研究了水下机器人三维航迹跟踪控制问题.在充分考虑了模型中不确定水动力系数和外界海流干扰的基础上,提出了基于神经网络的自适应输出反馈控制方法.控制器由3部分组成:基于动态补偿器的输出反馈控制项、神经网络自适应控制项和鲁棒控制项.神经网络所需的自适应学习信号由线性观测器提供.基于Lyapunov稳定性理论证明了控制系统的稳定性.最后针对某AUV进行了空间三维航迹跟踪控制仿真实验,结果表明设计的控制器可以较好地克服时变非线性水动力阻尼对系统的影响,并对外界海流干扰有较好的抑制作用,可以实现三维航迹的精确跟踪.     

基于模糊混合控制的自治水下机器人路径跟踪控制

基于模糊混合控制策略,本文提出了一种用于非线性欠驱动自治水下机器人的鲁棒路径跟踪控制方法.利用Sugeno型模糊推理系统,将PD滑模控制器与非奇异终端滑模控制器光滑连接,构造了模糊混合控制器.它能充分融合这两类控制器的优势,无论系统远离平衡点还是在其附近,都能取得快速收敛的效果.如果,借助于非时间参考量,将该混合控制器用于自治水下机器人路径跟踪控制,将有利于提高它在不确定环境中的跟踪能力.最后,通过仿真计算结果验证了该控制策略的有效性.     

基于滤波反步法的欠驱动AUV三维路径跟踪控制

研究了欠驱动自主水下航行器 (Autonomous underwater vehicle, AUV)的三维空间路径跟踪控制问题.针对基于虚拟向导建立的三维路径跟踪误差模型, 采用滤波反步法设计跟踪控制器,通过二阶滤波过程获得虚拟控制量的导数, 避免了直接对虚拟控制量解析求导的复杂过程, 同时滤除了高频测量噪声, 增加了系统对噪声的鲁棒性.通过设计滤波误差补偿回路, 保证了滤波信号对虚拟控制量的逼近精度.基于李雅普诺夫稳定性理论设计鲁棒项, 保证了闭环跟踪误差系统状态的渐近稳定.仿真结果表明了该控制器对噪声干扰具有一定的鲁棒性, 能够实现对三维路径的精确跟踪.