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控制与决策 2025年第1期40卷 187-195页

作者：王宁贾薇吴浩峻大连海事大学轮机工程学院辽宁大连116026 大连市智能船舶绿色动力控制与测试重点实验室辽宁大连116026 水路交通控制全国重点实验室辽宁大连116026

海洋环境复杂多变,为提升欠驱动无人船(underactuated marine vehicle,UMV)的自主航行与故障应对能力,提出基于有限时间正切漂角视线制导的指令滤波路径跟踪控制策略.在包括内部动力学未知、时变大漂角和执行器故障的复杂情况下,该策略... 详细信息

海洋环境复杂多变,为提升欠驱动无人船(underactuated marine vehicle,UMV)的自主航行与故障应对能力,提出基于有限时间正切漂角视线制导的指令滤波路径跟踪控制策略.在包括内部动力学未知、时变大漂角和执行器故障的复杂情况下,该策略可使UMV在有限时间内遵循所需的路径.首先,构建有限时间漂角观测器,用于快速精准地估计时变大漂角;随后,引入有限时间正切漂角视线制导律,不仅能提升制导性能,还能有效避免因非光滑制导指令产生高频震荡导致UMV失稳;此外,通过采用有限时间指令滤波控制技术降低计算负担,并提出滤波补偿方案减少滤波误差;最后,基于径向基函数神经网络和有限时间理论,设计自适应有限时间容错路径跟踪控制器,使得UMV的纵向速度和艏向角跟踪误差在有限时间内能够收敛到原点附近的小邻域.仿真实验验证了所提出方案的有效性和优越性.

关键词：欠驱动无人船有限时间正切漂角视线制导指令滤波路径跟踪控制神经网络

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基于改进人工势场法的欠驱动无人船编队协同避碰避障

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控制与决策 2025年第1期40卷 252-260页

作者：李伟张永超宁君马昊冉刘陆彭周华大连海事大学航海学院辽宁大连116026 大连海事大学船舶电气工程学院辽宁大连116026

提出一种基于改进人工势场法且带有输入量化的欠驱动无人船编队协同避碰避障策略.借鉴导弹制导与控制机理,分层设计无人船运动学制导律与动力学控制律.首先,基于辅助变量法在无人船运动学子系统中设计分布式制导律,并引入改进人工势场... 详细信息

提出一种基于改进人工势场法且带有输入量化的欠驱动无人船编队协同避碰避障策略.借鉴导弹制导与控制机理,分层设计无人船运动学制导律与动力学控制律.首先,基于辅助变量法在无人船运动学子系统中设计分布式制导律,并引入改进人工势场法的斥力函数.通过重构制导律实现运动学层面的协同避碰避障以及欠驱动无人船期望轨迹的跟踪;其次,通过使用径向基神经网络对无人船动力学子系统中的外界干扰和系统未建模动态进行逼近,采用均匀量化器对输入变量进行量化并对量化过程进行线性描述,使得底层量化控制器无需预测关于量化参数的具体信息;在稳定性分析中,利用李雅普诺夫稳定性理论证明所设计USV编队跟踪控制系统的稳定性;最后,采用Matlab对理论策略进行仿真实验,仿真结果验证了所提出策略的有效性.

关键词：欠驱动无人船人工势场法分布式编队输入量化 RBF神经网络避障

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欠驱动无人船单目视觉伺服镇定控制

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中国舰船研究 2022年第5期17卷 166-174,183页

作者：何红坤王宁大连海事大学船舶电气工程学院辽宁大连116026 大连海事大学轮机工程学院辽宁大连116026

[目的]针对全球定位系统拒止环境下的欠驱动无人船(USV)精准位姿镇定问题,提出一种基于单应性的欠驱动无人船单目视觉伺服镇定控制方法。[方法]借助单应性分解技术,直接从当前图像和期望图像中重构出具有未知尺度因子的位姿误差,可完全... 详细信息

[目的]针对全球定位系统拒止环境下的欠驱动无人船(USV)精准位姿镇定问题,提出一种基于单应性的欠驱动无人船单目视觉伺服镇定控制方法。[方法]借助单应性分解技术,直接从当前图像和期望图像中重构出具有未知尺度因子的位姿误差,可完全摆脱相机外部参数标定和目标物先验信息;针对欠驱动约束,在连续时变输出反馈控制器中引入基于持续激励艏摇角的周期函数,使得欠驱动无人船能够在图像深度、运动速度、模型参数均未知的情况下实现镇定控制。[结果]在李雅普诺夫理论框架下,采用芭芭拉引理严格证明了欠驱动无人船视觉伺服闭环控制系统的渐近稳定性。[结论]仅采用船载单目相机,所提出的视觉伺服策略能够确保欠驱动无人船实现精准位姿镇定,为海上接驳对接、靠离泊、动力定位等实际需求提供重要技术支撑。

关键词：欠驱动无人船单目视觉伺服镇定控制连续时变输出反馈

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欠驱动无人船的路径跟踪与协同控制

欠驱动无人船的路径跟踪与协同控制

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作者：刘陆大连海事大学

学位级别：博士

21世纪是海洋的世纪,海洋蕴藏着丰富的生物资源、油气资源、矿物资源,是人类生存和可持续发展的战略空间和资源要地。无人船是人类认识海洋、开发海洋、保护海洋的重要工具,在军事和民用领域都具有广泛的应用。在众多无人船关键技术领域... 详细信息

21世纪是海洋的世纪,海洋蕴藏着丰富的生物资源、油气资源、矿物资源,是人类生存和可持续发展的战略空间和资源要地。无人船是人类认识海洋、开发海洋、保护海洋的重要工具,在军事和民用领域都具有广泛的应用。在众多无人船关键技术领域中,路径跟踪与协同控制问题是备受关注的研究热点和前沿性课题之一。本文以欠驱动无人船作为研究对象,研究了单无人船的路径跟踪、多无人船的协同路径跟踪以及无人船动力学控制问题。论文的主要工作如下:首先在运动学层次,研究了欠驱动单无人船的路径跟踪问题。LOS制导、积分LOS制导、自适应LOS制导被广泛的用于欠驱动无人船路径跟踪设计中,然而LOS制导不能补偿侧滑角的影响,积分LOS制导和自适应LOS制导都是针对常值侧滑角未知的情形提出的。另外,积分LOS容易产生控制相位滞后和陷入积分饱和,自适应LOS在暂态控制过程中容易产生较大的振荡。为解决上述问题,本文针对欠驱动单无人船路径跟踪问题,提出了两种新型LOS制导方法。具体的,针对侧滑角未知欠驱动无人船的路径跟踪问题,提出了基于预估器的LOS制导方法,将预估器引入LOS制导设计中,基于预估误差设计了自适应律,能够快速地补偿侧滑角,提高路径跟踪的精确性。采用级联系统稳定性分析证明了闭环系统是渐进稳定的。暂态分析表明可以通过调节参数减小自适应信号导数的L2范式,提高系统暂态控制性能。针对时变侧滑角未知欠驱动无人船的路径跟踪问题,提出了基于扩张状态观测器的LOS制导方法,采用降维扩张状态观测器估计时变侧滑角,实现了侧滑角的精确估计与补偿,提高了路径跟踪的精确性。应用级联系统稳定性分析证明了闭环系统是输入状态稳定的,并且可以通过调节降维扩张状态观测器的带宽缩短暂态估计过程。仿真和实验验证了所提制导方法的有效性。随后,在上述单船制导研究基础上,进一步研究了欠驱动多无人船协同路径跟踪问题。现有多无人船协同路径跟踪研究大多局限于全驱动船舶运动模型,但是在实际应用中大多数船舶是欠驱动的。另外,现有无人船协同路径跟踪研究大多采用多条参数化路径进行导引,只能实现同步的编队队形。为解决上述问题,本文提出了三种欠驱动多无人船协同路径跟踪方法。具体的,针对多路径导引欠驱动多无人船的协同路径跟踪问题,将LOS制导与多智能体系统一致性方法相结合,提出了基于路径参数一致性的LOS协同路径跟踪方法,实现了多曲线上的同步编队队形。针对单路径导引欠驱动多无人船的协同路径跟踪问题,将LOS制导与多智能体系统包含方法相结合,提出了基于路径参数包含的LOS协同路径跟踪方法,使得路径参数均匀地分散在两个虚拟领导者之间,实现了单曲线上的队列编队队形。针对闭曲线导引欠驱动多无人船的协同路径跟踪问题,将LOS制导与循环跟踪方法相结合,提出了基于路径参数环形跟踪的协同路径跟踪方法,使得路径参数均匀地分散在圆周上,实现了闭曲线上的对称编队队形。进一步,将所提三种协同路径跟踪方法拓展到参考速度非全局已知和侧滑未知两种情形。采用级联系统稳定性分析分别证明了闭环系统是输入状态稳定的,仿真和实验验证了所提三种协同路径跟踪方法的有效性。最后在动力学层次,研究了欠驱动无人船的动力学控制问题。现有文献中,很多研究人员采用神经网络对无人船动力学系统不确定性进行估计与控制,然而现有神经网络自适应律大多基于跟踪误差进行学习,暂态跟踪误差会导致神经网络输出信号幅值较大。另外,快速自适应的实现依赖于大的自适应增益,但高自适应增益会导致控制信号高频振荡。并且,现有神经网络控制方法往往没有考虑系统控制输入受限问题。为解决上述问题,本文提出了基于预估器的神经网络控制方法。将预估器引入神经网络的设计中,基于预估误差设计了神经网络的权值更新率,实现了对模型不确定性与外部海洋环境扰动的快速自适应补偿,且不会引起控制信号高频振荡。采用饱和函数设计方法,保证了控制信号的有界性,且界值是明确已知的,有效地避免了执行器饱和问题。采用级联系统稳定性分析证明了动力学控制系统中估计子系统与控制子系统组成的级联系统是输入状态稳定的,并进一步证明了运动学子系统与动力学子系统组成的级联系统是输入状态稳定的。仿真结果验证了所提欠驱动无人船动力学控制器的有效性。

关键词：欠驱动无人船路径跟踪 LOS制导参数协同神经网络

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欠驱动无人船轨迹跟踪控制方法研究

欠驱动无人船轨迹跟踪控制方法研究

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作者：刘子朋哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

近年来随着无人驾驶技术的飞速发展,欠驱动无人船的研究在军用和民用领域得到了广泛地关注。通过搭载不同的装置,欠驱动无人船可以完成警戒巡逻、海洋环境检测、资源勘查、水上搜索等具有操作危险的任务。无人船的轨迹跟踪控制是完成各... 详细信息

近年来随着无人驾驶技术的飞速发展,欠驱动无人船的研究在军用和民用领域得到了广泛地关注。通过搭载不同的装置,欠驱动无人船可以完成警戒巡逻、海洋环境检测、资源勘查、水上搜索等具有操作危险的任务。无人船的轨迹跟踪控制是完成各种操作任务的核心,跟踪误差的范围决定了操作任务的精确度和出现事故概率的大小。因此,设计出具有更高性能的轨迹跟踪控制器对欠驱动无人船的研究具有重要意义。本文开展了欠驱动无人船轨迹跟踪控制方法研究,依据六自由度船舶模型和环境风、浪、流模型,给出了简化的三自由度欠驱动无人船运动学、动力学数学模型。以三自由度欠驱动无人船为控制对象,结合滑模控制理论和观测器设计了轨迹跟踪控制方案。针对航行过程中遭遇的未知风、浪、流干扰问题,设计了非线性扰动观测器来观测未知的环境扰动,用扰动的观测值对扰动进行补偿。针对传统滑模控制中设计的控制律渐近收敛的问题,对纵向推力和转艏力矩分别设计了非奇异终端滑模控制律。非奇异终端滑模中的非线性因子使系统状态快速的趋于滑模面,提高收敛速度,使欠驱动无人船在有限时间内完成轨迹跟踪任务。通过理论分析和MATLAB数值仿真验证了设计的非线性扰动观测器结合非奇异终端滑模控制方案,在外界环境扰动干扰下可以实现欠驱动无人船轨迹跟踪控制。针对测量设备故障导致欠驱动无人船的位置和速度信息不可用问题,以及外界扰动和模型参数摄动问题,为了能够在处理扰动的同时得到位置和速度信息,设计非线性扩张状态观测器。利用欠驱动无人船的误差模型,设计了非奇异快速终端滑面推导出控制律。通过MATLAB数值仿真验证了,非线性扩张状态观测器结合非奇异快速终端滑模控制方案能够实现欠驱动无人船轨迹跟踪控制。所设计的控制方案具有抑制扰动,跟踪误差小,系统的抖振小,鲁棒性强的优点。

关键词：欠驱动无人船轨迹跟踪控制终端滑模控制器观测器

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欠驱动无人船路径规划及运动控制优化算法研究

欠驱动无人船路径规划及运动控制优化算法研究

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作者：马国杰江苏科技大学

学位级别：硕士

近年来,随着海洋事业的发展,对海洋的认识、开发、保护受到了越来越多的关注。船舶作为人类关心海洋、认识海洋到经略海洋最为重要的海上交通工具,有着极为特殊的战略地位。对船舶的研究中,无人船一直是热点方向,在对无人船研究的众多... 详细信息

近年来,随着海洋事业的发展,对海洋的认识、开发、保护受到了越来越多的关注。船舶作为人类关心海洋、认识海洋到经略海洋最为重要的海上交通工具,有着极为特殊的战略地位。对船舶的研究中,无人船一直是热点方向,在对无人船研究的众多关键技术中,无人船的路径规划和运动控制问题已经成为无人船方向备受关注的前沿课题。本文将欠驱动无人船作为研究对象,进行了欠驱动无人船的数学模型建立、路径规划、路径跟踪控制问题的研究,具体工作如下:(1)考虑欠驱动无人船在水面环境航行时可能涉及到的状态量和条件,进行欠驱动无人船数学模型描述,首先建立了欠驱动无人船的三自由度非线性运动学和动力学模型;其次考虑到后续运动控制律设计和控制器的研究,从控制角度出发,以输入舵角为控制量,航向角为输出向量,建立欠驱动无人船响应数学模型;最后考虑到无人船在航行时会受到外界环境的干扰,分别建立了风、浪、流干扰数学模型并引入到动力学模型中,为后续路径跟踪研究打下了数学基础。(2)无人船要进行自主航行作业首先需要路径规划,本文基于智能麻雀搜索算法提出了一种改进麻雀搜索算法的无人船路径规划方法。先采用Cubic混沌映射初始化种群,代替传统算法的随机生成方式;其次在算法迭代后期,引入适应度标准差判断种群是否陷入局部最优,并采用高斯随机游走策略对最优个体进行扰动,辅助算法逃逸局部最优,得到最优适应度值;然后再对选定水域环境进行建模,对原始电子航道图进行信息预处理、栅格化、障碍膨胀处理等操作;最后在处理后的电子航道图中引入改进算法并进行无人船的路径规划仿真实验,验证了所提算法的有效性。(3)得到规划好的路径后需要无人船对目标路径进行跟踪,针对欠驱动无人船路径跟踪问题,提出了一种欠驱动无人船路径跟踪自适应滑模控制算法。采用自适应滑模控制设计纵向推进力控制律和转向力矩控制律;以双幂次函数作为趋近控制律抑制滑模控制产生的抖振问题;设计带有修正项的参数自适应律观测未知外界环境时变干扰的界值,并进行系统稳定性证明。最后在MATLAB中对所提算法进行直线路径跟踪和圆路径跟踪仿真试验,仿真结果表明,无人船能够快速准确追踪上目标路径,验证了所提算法的有效性。(4)为验证设计的路径跟踪算法对实际无人船控制的可行性,设计了欠驱动无人船嵌入式运动控制系统,进行了系统软硬件设计,并重点介绍了主要硬件电路设计工作。完成对系统的集成与调试后,对搭载本文所提的嵌入式控制系统的JUST-002号小船进行路径跟踪实验,分别对直线路径和曲线路径进行了跟踪。实验结果证明了设计的控制系统和路径跟踪算法能够对欠驱动无人船进行有效的运动控制。最后结合具体功能应用场景,将设计的嵌入式运动控制系统部署在YL-2500无人船上进行河道的水面垃圾自主清理,无人船一边路径跟踪一边进行清理作业,实际清理效果显著,验证了算法及系统在实际工程中的良好效果。

关键词：欠驱动无人船路径规划麻雀搜索算法路径跟踪自适应滑模控制

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欠驱动无人船编队协同控制技术研究

欠驱动无人船编队协同控制技术研究

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作者：施文煜大连海事大学

学位级别：硕士

近年来,随着无人船系统技术以及多智能体理论的普及和快速发展,无人船编队技术得到了广泛的关注。为满足实际需求,无人船系统已经由个体向集群,简单功能向复杂功能,单一环境向复杂环境发展,提高了作业效率,在军事和民用领域都具有广泛... 详细信息

近年来,随着无人船系统技术以及多智能体理论的普及和快速发展,无人船编队技术得到了广泛的关注。为满足实际需求,无人船系统已经由个体向集群,简单功能向复杂功能,单一环境向复杂环境发展,提高了作业效率,在军事和民用领域都具有广泛的应用前景。无人船编队协同控制问题作为构筑无人船编队系统的基础,近年来已成国内外学者研究的热点。本文针对不同任务要求下的无人船编队协同控制问题展开研究,并取得了如下的研究成果: 首先,针对无人船编队集中式控制问题,采用领航跟随法设计编队控制器进行无人船编队控制。考虑无人船参数不确定性,采用滑模控制理论来设计路径跟踪控制律,从而有效解决模型参数不确定问题。采用Lyapunov稳定性理论证明了无人船路径跟踪控制误差能有效收敛。最后在仿真平台对三艘无人船组成的编队进行仿真实验验证,结果表明所设计的控制器能较快地跟踪上期望路径,且有较好的稳定性。其次,针对领航跟随编队系统过度依赖于领航者,导致编队系统灵活性、容错性较差问题,研究了将传统虚拟结构法与一致性算法相结合的编队控制方法。在实际航行中不可避免的要遇到岛礁等障碍物,为此进一步结合人工势场法研究有障碍物约束下的欠驱动无人船编队控制问题。分别对固定编队及编队避障进行仿真验证,结果表明采用该方法多无人船在保持编队队形的同时能够避开障碍物。再次,现有研究大多针对无人船编队跟踪多条路径,然而在实际应用中,对于某些特殊的控制目标,例如编队护航、编队包围,或者有序通过某狭窄水域等,要求无人船编队协同跟踪上同一条参数路径,且保持固定的编队队形。因此,针对无人船编队跟踪一条闭曲线路径,提出一种结合视线制导与一致性算法的协同参数包围算法,设计分布式协同制导律,使得无人船编队均匀分布于该闭曲线路径上。同时考虑欠驱动无人船动力学模型的不确定性以及传统滑模控制产生的抖振问题,利用RBF神经网络逼近特性设计基于RBF神经网络的分布式自适应积分滑模控制器,保证无人船能够精确跟踪期望信号,从而提高系统抗干扰性和路径跟踪精度。最后,针对无人船编队跟踪一条开曲线路径,提出一种将视线制导与一致性算法相结合的协同参数包含算法。为保证相邻无人船路径参数之间维持有一定的差值,在编队首尾引入两个虚拟领航者,设计分布式协同制导律,使无人船编队在两个虚拟领航者之间均匀分布,实现单路径上的分布式协同控制。仿真结果表明了所提出协同控制算法的有效性。

关键词：欠驱动无人船领航跟随虚拟结构视线制导分布式协同

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欠驱动无人船的目标跟踪及编队控制研究

欠驱动无人船的目标跟踪及编队控制研究

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作者：林剑飞广东海洋大学

学位级别：硕士

随着海洋强国战略的不断推进,无人船在海洋作业中发挥着越来越重要的作用,如资源勘查、海上救援、海域自动巡航和未知海洋环境采样及检测等,其中故障率低、可靠性高的欠驱动无人船得到广泛应用。但由于海洋任务的越发复杂性和多样性,对... 详细信息

随着海洋强国战略的不断推进,无人船在海洋作业中发挥着越来越重要的作用,如资源勘查、海上救援、海域自动巡航和未知海洋环境采样及检测等,其中故障率低、可靠性高的欠驱动无人船得到广泛应用。但由于海洋任务的越发复杂性和多样性,对欠驱动无人船的控制性能提出了更高要求。因此,提高未知外部环境扰动下欠驱动无人船的控制性能具有重要的理论意义和应用价值。基于此,本文以欠驱动无人船为研究对象,研究欠驱动无人船的目标跟踪及编队控制问题,主要工作如下:针对欠驱动无人船在航行过程中,模型中的不确定性和未知外部环境扰动严重影响控制系统的性能和稳定性的问题,提出一个基于自适应自组织神经网络的目标跟踪控制策略。首先采用状态观测器解决跟踪目标速度不可测的问题,其次针对模型中的不确定性及未知环境扰动,设计一个自组织神经网络,可以逼近模型中的不确定性及未知环境扰动,提升控制系统的鲁棒性,该神经网络通过优化神经元数量节约大量的计算力,最后结合backstepping法设计了鲁棒目标跟踪控制器。理论分析表明,整个闭环误差系统是输入状态稳定的。仿真实验验证了控制算法的有效性。针对具有非对角惯性矩阵和复合未知动态的欠驱动无人船编队控制问题,提出了基于预设性能的自适应神经网络有限时间编队控制策略。首先采用坐标变换法求解非对角惯性矩阵问题,设计高增益观测器来估计领导者的速度,采用tan型Barrier Lyapunov Function(BLF)保证编队队形距离和角度约束,同时避免碰撞和保持有效通信距离;最后设计自组织神经网络来补偿由模型的不确定性和未知环境干扰组成的复合未知动态,在有效地减少神经网络的计算量以节省计算资源的前提下,提高了系统的鲁棒性和控制精度。理论分析结果表明,闭环系统为实际有限时间稳定的,其中所有信号都是有界的。仿真实验验证所提出的控制方法是有效的。针对在编队运动控制过程中,通信带宽不足、通讯资源有限的问题,提出了一种基于时变BLF和事件触发机制的有限时间控制策略。首先提出一种时变的BLF以保证预设性能,避免采用过于复杂的传统的tan型BLF;其次结合backstepping法设计了动态面控制(DSC),避免微分爆炸。最后基于事件触发策略设计一种欠驱动无人船有限时间编队控制器,解决编队控制过程中通讯带宽不足问题。稳定性分析表明,闭环系统的所有信号均是有界的,且闭环系统是实际有限时间稳定的,避免了Zeno行为。仿真实验验证了该控制方法的有效性和可行性。针对编队控制过程中有限时间控制过于依赖初始状态问题,提出基于最小学习参数神经网络和相对阈值事件触发的欠驱动无人船固定时间编队控制策略。首先提出神经网络的固定时间自适应最小学习参数,在固定时间内逼近外界扰动及模型不确定性,提高神经网络的逼近精度和收敛速度;其次,提出一种相对阈值事件触发策略,以解决编队控制中通信带宽不足的问题;最后结合最小学习参数、backstepping法和相对阈值的事件触发策略,提出一种基于神经网络的事件触发全局固定时间编队控制策略。稳定性分析表明,闭环系统的所有信号都是有界的,且闭环系统为实际固定时间稳定的,避免Zeno现象,仿真实验验证了该算法的有效性及性能的优越性。

关键词：欠驱动无人船编队控制事件触发控制 Barrier Lyapunov Function 神经网络

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基于双偶极向量场的欠驱动无人船目标跟踪制导方法

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中国舰船研究 2022年第4期17卷 32-37页

作者：初庆栋尹羿博龚小旋刘陆王丹彭周华大连海事大学船舶电气工程学院辽宁大连116026

[目的]为改进欠驱动无人船(USV)目标跟踪制导的暂态控制性能,提出一种基于双偶极向量场的目标跟踪制导方法。[方法]首先,根据双偶极向量场原理,设计欠驱动USV艏摇角速度和前向速度导引律。然后,通过稳定性分析,证明控制系统是有界稳定... 详细信息

[目的]为改进欠驱动无人船(USV)目标跟踪制导的暂态控制性能,提出一种基于双偶极向量场的目标跟踪制导方法。[方法]首先,根据双偶极向量场原理,设计欠驱动USV艏摇角速度和前向速度导引律。然后,通过稳定性分析,证明控制系统是有界稳定的。最后,经仿真和实验验证所提方法的有效性。[结果]结果表明,控制系统能够使USV跟踪位置收敛到目标点附近的邻域内,不仅跟踪轨迹更光滑,暂态控制性能也更好,在实现目标跟踪的同时还能够保持期望的航向。[结论]所提方法可以克服现有目标跟踪制导方法稳态航向不能指定的局限性。

关键词：欠驱动无人船双偶极向量场目标跟踪制导控制

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约束条件下欠驱动无人船编队控制方法研究

约束条件下欠驱动无人船编队控制方法研究

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作者：夏小明哈尔滨工程大学

学位级别：博士

为了合理开发和利用海洋资源,欠驱动无人船编队控制问题受到日益广泛的重视。编队控制领域中涌现一定的研究成果,但仍有许多问题需要进一步深入研究。执行机构饱和包含幅值饱和和速率饱和,即输入幅值和速率饱和,它们往往会导致系统性能... 详细信息

为了合理开发和利用海洋资源,欠驱动无人船编队控制问题受到日益广泛的重视。编队控制领域中涌现一定的研究成果,但仍有许多问题需要进一步深入研究。执行机构饱和包含幅值饱和和速率饱和,即输入幅值和速率饱和,它们往往会导致系统性能下降。除此之外,在复杂海洋环境中航行的欠驱动无人船会遭遇各种船只和障碍物,船舶碰撞事故可能发生进而导致船体结构损坏。因此,需要在约束条件下研究欠驱动无人船编队避碰和避障控制问题。以此为背景,本文考虑模型不确定、环境干扰、输入幅值和速率饱和条件下,研究欠驱动无人船编队避碰和避障控制问题。具体研究如下:为解决输入约束下的欠驱动无人船编队控制问题,提出基于辅助动态系统的抗幅值速率饱和控制器。首先,设计扰动观测器使用速度测量值估计包含环境干扰和模型不确定的总扰动。其次,设计辅助动态系统来处理输入幅值饱和,基于领航-跟随法、扰动观测器和辅助动态系统设计固定阈值事件触发控制器。进一步考虑输入速率饱和约束,设计辅助动态系统处理输入幅值和速率饱和。基于此,使用扰动观测器和领航-跟随法设计抗幅值速率饱和控制器。然后,稳定性分析证明系统内所有信号均是有界的。最后,仿真结果验证所提算法能够在输入幅值和速率饱和影响下实现编队控制。为解决输入约束下欠驱动无人船编队避碰控制问题,提出障碍李雅普诺夫函数(barrier Lyapunov function,BLF)抗幅值速率饱和控制器。首先,设计扰动观测器来减小模型不确定和环境干扰给系统性能带来的影响。其次,设计辅助动态系统处理输入幅值饱和。为实现编队之间避碰,使用障碍李雅普诺夫函数对距离误差和角度误差进行变换,基于变换的误差函数、扰动观测器和辅助动态系统设计BLF抗幅值饱和控制器。进一步考虑输入速率饱和约束,设计辅助动态系统处理输入幅值和速率饱和。在此基础上,基于变换后的误差函数和扰动观测器设计了 BLF抗幅值速率饱和控制器。然后,稳定性分析证明系统内所有信号均是有界的。最后,仿真结果验证本节方法能够在输入幅值和速率饱和影响下实现无碰撞编队控制。为解决输入约束下欠驱动无人船编队避障控制问题,提出人工势能函数(artificial potential function,APF)抗幅值速率饱和控制器。首先,将模型不确定和环境干扰看作总扰动,设计扩张状态观测器估计总扰动并给出速度估计值。其次,设计一种人工势能函数,并将其引入到控制目标中从而影响欠驱动无人船的位置以实现避碰和避障。设计辅助动态系统处理输入幅值饱和,基于扩张状态观测器、人工势能函数和辅助动态系统设计APF抗幅值饱和控制器。进一步考虑输入速率饱和约束,设计辅助动态系统处理输入幅值和速率饱和。基于此,使用人工势能函数和扩张状态观测器设计APF抗幅值速率饱和控制器。然后,稳定性分析证明系统内所有信号均是有界的。最后,仿真验证本节方法确保欠驱动无人船在输入幅值和速率饱和影响下组成期望编队并实现避碰和避障。本文对输入约束下欠驱动无人船编队避碰和避障控制问题进行研究,并对提出控制方法进行稳定性分析和仿真验证。结果表明:所提出的固定阈值事件触发控制器能实现编队控制,同时降低执行机构动作次数。在输入幅值和速率饱和约束下,所提出抗幅值速率饱和控制器能够保证跟踪精度实现编队控制,所提出BLF抗幅值速率饱和控制器能够实现编队控制和避碰,所提出的APF抗幅值速率饱和控制器能够实现编队控制、避碰和避障。

关键词：欠驱动无人船编队控制输入约束障碍李雅普诺夫函数人工势能函数

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