無人船自適應路徑跟蹤控制系統(tǒng)
發(fā)布時間：2021-04-14 19:01
環(huán)境干擾下如何實現(xiàn)精確、可靠路徑跟蹤控制是目前無人水面船（無人船）自主航行的關鍵和難點問題。從無人船路徑跟蹤控制的算法設計、系統(tǒng)實現(xiàn)和試驗驗證等三個層面開展研究:在算法設計層面,提出了考慮水流干擾條件下的自適應視距（Line-of-sight,LOS）制導算法以及基于LEM（Line-of-sight&extendedstateobserver&modelpredictive control,視距-擴張狀態(tài)觀測器-模型預測控制）的自適應路徑跟蹤控制方法;在系統(tǒng)實現(xiàn)層面,設計了無人船路徑跟蹤控制系統(tǒng)架構,并解決了MPC快速求解、系統(tǒng)狀態(tài)采集與不可測狀態(tài)觀測問題;在試驗驗證層面,構建了在室外水池環(huán)境下的模型船路徑跟蹤控制試驗平臺,并在此平臺上完成了MPC與比例-積分-微分（Proportional-integral-derivative,PID）路徑跟蹤控制對比試驗,以及基于LEM與基于傳統(tǒng)LOS的MPC路徑跟蹤控制（Traditional LOS&MPC,TLM）對比試驗。試驗結果表明,構建的無人船路徑跟蹤控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠,提出的LEM自適應路徑跟蹤控制方法具...
【文章來源】：機械工程學報. 2020,56(08)北大核心EICSCD
【文章頁數(shù)】：12 頁
【部分圖文】：
響應型模型坐標和運動參數(shù)定義(surge)(sway)
T(6)1.2自適應視距制導算法由于響應模型式(4)描述的是輸入舵令與輸出船首向之間的關系，因此需要將路徑跟蹤控制中對路徑的跟蹤轉換為對船首向的跟蹤。視距制導具有目標跟蹤精確、計算簡便等優(yōu)勢，在導彈攔截跟蹤控制、水下航行器和船舶路徑跟蹤控制領域應用較廣[17]。1.2.1自適應接納圓的提出在路徑跟蹤中，假定目標路徑點(,)nnnPxy、111(,)nnnPxy和222(,)nnnPxy已經給出，則目標路徑為111222(,)(,)(,)nnnnnnnnnPxyPxyPxy。LOS制導基本原理如圖2所示。圖2視距制導算法原理路徑跟蹤控制的目標是使船首向與方向bLOSOP保持一致。確定LOS點LOSLOSLOSP(x,y)的方式為：以bO為圓心、LOSRnL(n1)(L為船長)為半徑的圓弧與目標路徑nn1PP交點中距離下一路徑目標點n2P更近的一個交點作為LOSP。計算LOSP的公式如下222LOSbLOSbLOSLOSb1LOSb1()()nnnnxxyyRyyyyxxxxLOSR定義如下LOS3||3||3LeLReLeL≤式中，e為橫向跟蹤誤差。船舶在跟蹤路徑nn1PP的過程中，當船舶趨近目標點n1P時，目標路徑需要由nn1PP切換至n1n2PP。通常當船舶進入以n1P為圓心0R為半徑的接納圓內，即2b1()nxy22b10()nyyR≤時，開始進行目標路徑切換。當船舶剛進入接納圓時，LOS角LOS和相對首向角會發(fā)生突變，導致船舶不可避免地偏離目標路徑。當相鄰路徑夾角(0,π2)較小時，船舶需要更早地轉向以有充分的時間調整航向，此時如果接納圓半徑0
)。圖6系統(tǒng)狀態(tài)采集原理3試驗驗證3.1模型船試驗平臺為驗證本文提出的無人船自適應路徑跟蹤控制系統(tǒng)在真實場景下的控制效果和可靠性，在室外水池環(huán)境構建了基于模型船的路徑跟蹤控制系統(tǒng)試驗平臺。為滿足系統(tǒng)需要，在模型船船體上安裝了工控機(運行控制程序)、無線通信設備、鋰電池、驅動電路板(執(zhí)行控制命令)、電機、螺旋槳、舵機、角度傳感器、差分GPS接收機(室外獲取精確位置)、超聲波傳感器(避碰)、定位標志燈(室內獲取精確位置)等設備，具體如圖7所示。該模型船具備了遠程控制、自主路徑跟蹤控制、應急避碰、實時數(shù)據(jù)查看等功能。在室外水池環(huán)境下的試驗平臺如圖8所示。遠程監(jiān)控計算機通過無線WiFi網絡可以實時操控模型船并獲取模型船運動狀態(tài)。圖9為自主研發(fā)的無人船路徑跟蹤控制系統(tǒng)程序界面，具有系統(tǒng)和控制參數(shù)設置、系統(tǒng)狀態(tài)和路徑跟蹤結果實時查看、數(shù)據(jù)保存、遠程操控船舶等功能。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]混合動力汽車非線性模型預測巡航控制[J]. 羅禹貢,陳濤,李克強. 機械工程學報. 2015(16)
[2]USV發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J]. 柳晨光,初秀民,吳青,王桂沖. 中國造船. 2014(04)
[3]船舶自動舵控制技術的發(fā)展[J]. 陳雪麗,程啟明. 南京化工大學學報(自然科學版). 2001(04)
[4]非線性控制理論在電力系統(tǒng)中應用綜述[J]. 吳青華,蔣林. 電力系統(tǒng)自動化. 2001(03)
[5]具有約束條件的船舶運動預測控制[J]. 胡耀華,賈欣樂. 控制理論與應用. 2000(04)
博士論文
[1]基于預測控制的無人船運動控制方法研究[D]. 柳晨光.武漢理工大學 2017
[2]基于船舶操縱性試驗分析的辨識建模研究[D]. 張心光.上海交通大學 2012
[3]基于支持向量機方法的船舶操縱運動建模研究[D]. 羅偉林.上海交通大學 2009
碩士論文
[1]水面無人船軌跡跟蹤控制方法研究[D]. 牟鵬程.哈爾濱工程大學 2013
本文編號：3137846
【文章來源】：機械工程學報. 2020,56(08)北大核心EICSCD
【文章頁數(shù)】：12 頁
【部分圖文】：
響應型模型坐標和運動參數(shù)定義(surge)(sway)
T(6)1.2自適應視距制導算法由于響應模型式(4)描述的是輸入舵令與輸出船首向之間的關系，因此需要將路徑跟蹤控制中對路徑的跟蹤轉換為對船首向的跟蹤。視距制導具有目標跟蹤精確、計算簡便等優(yōu)勢，在導彈攔截跟蹤控制、水下航行器和船舶路徑跟蹤控制領域應用較廣[17]。1.2.1自適應接納圓的提出在路徑跟蹤中，假定目標路徑點(,)nnnPxy、111(,)nnnPxy和222(,)nnnPxy已經給出，則目標路徑為111222(,)(,)(,)nnnnnnnnnPxyPxyPxy。LOS制導基本原理如圖2所示。圖2視距制導算法原理路徑跟蹤控制的目標是使船首向與方向bLOSOP保持一致。確定LOS點LOSLOSLOSP(x,y)的方式為：以bO為圓心、LOSRnL(n1)(L為船長)為半徑的圓弧與目標路徑nn1PP交點中距離下一路徑目標點n2P更近的一個交點作為LOSP。計算LOSP的公式如下222LOSbLOSbLOSLOSb1LOSb1()()nnnnxxyyRyyyyxxxxLOSR定義如下LOS3||3||3LeLReLeL≤式中，e為橫向跟蹤誤差。船舶在跟蹤路徑nn1PP的過程中，當船舶趨近目標點n1P時，目標路徑需要由nn1PP切換至n1n2PP。通常當船舶進入以n1P為圓心0R為半徑的接納圓內，即2b1()nxy22b10()nyyR≤時，開始進行目標路徑切換。當船舶剛進入接納圓時，LOS角LOS和相對首向角會發(fā)生突變，導致船舶不可避免地偏離目標路徑。當相鄰路徑夾角(0,π2)較小時，船舶需要更早地轉向以有充分的時間調整航向，此時如果接納圓半徑0
)。圖6系統(tǒng)狀態(tài)采集原理3試驗驗證3.1模型船試驗平臺為驗證本文提出的無人船自適應路徑跟蹤控制系統(tǒng)在真實場景下的控制效果和可靠性，在室外水池環(huán)境構建了基于模型船的路徑跟蹤控制系統(tǒng)試驗平臺。為滿足系統(tǒng)需要，在模型船船體上安裝了工控機(運行控制程序)、無線通信設備、鋰電池、驅動電路板(執(zhí)行控制命令)、電機、螺旋槳、舵機、角度傳感器、差分GPS接收機(室外獲取精確位置)、超聲波傳感器(避碰)、定位標志燈(室內獲取精確位置)等設備，具體如圖7所示。該模型船具備了遠程控制、自主路徑跟蹤控制、應急避碰、實時數(shù)據(jù)查看等功能。在室外水池環(huán)境下的試驗平臺如圖8所示。遠程監(jiān)控計算機通過無線WiFi網絡可以實時操控模型船并獲取模型船運動狀態(tài)。圖9為自主研發(fā)的無人船路徑跟蹤控制系統(tǒng)程序界面，具有系統(tǒng)和控制參數(shù)設置、系統(tǒng)狀態(tài)和路徑跟蹤結果實時查看、數(shù)據(jù)保存、遠程操控船舶等功能。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]混合動力汽車非線性模型預測巡航控制[J]. 羅禹貢,陳濤,李克強. 機械工程學報. 2015(16)
[2]USV發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J]. 柳晨光,初秀民,吳青,王桂沖. 中國造船. 2014(04)
[3]船舶自動舵控制技術的發(fā)展[J]. 陳雪麗,程啟明. 南京化工大學學報(自然科學版). 2001(04)
[4]非線性控制理論在電力系統(tǒng)中應用綜述[J]. 吳青華,蔣林. 電力系統(tǒng)自動化. 2001(03)
[5]具有約束條件的船舶運動預測控制[J]. 胡耀華,賈欣樂. 控制理論與應用. 2000(04)
博士論文
[1]基于預測控制的無人船運動控制方法研究[D]. 柳晨光.武漢理工大學 2017
[2]基于船舶操縱性試驗分析的辨識建模研究[D]. 張心光.上海交通大學 2012
[3]基于支持向量機方法的船舶操縱運動建模研究[D]. 羅偉林.上海交通大學 2009
碩士論文
[1]水面無人船軌跡跟蹤控制方法研究[D]. 牟鵬程.哈爾濱工程大學 2013
本文編號：3137846
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