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基于改进WOA-MP算法的多普勒海流计回波信号频率估计研究
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作者 宋大雷 孙兆阳 +2 位作者 孙康康 张家乐 贺同福 《中国测试》 CAS 北大核心 2024年第8期1-10,共10页
受海洋环境复杂干扰影响,多普勒式海流计的超声波回波信号易受干扰影响,包含多种频率成分,这给海流流速信息的解算带来困难。为解决多普勒海流计回波信号频率估计精度较差的问题,提出一种基于信号匹配追踪(MP)的频率估计方法,并融合改... 受海洋环境复杂干扰影响,多普勒式海流计的超声波回波信号易受干扰影响,包含多种频率成分,这给海流流速信息的解算带来困难。为解决多普勒海流计回波信号频率估计精度较差的问题,提出一种基于信号匹配追踪(MP)的频率估计方法,并融合改进型鲸鱼优化算法(MWOA)提高估计过程的效率。该方法利用混沌映射提升初始种群多样性,并引入自适应权重和非线性收敛因子提高算法局部寻优能力、搜索速度和求解精度。而后,对改进算法与其他优化算法进行对比测试,结果显示所设计改进算法在收敛速度和寻优能力上具有有效性和优越性。此外,通过对多普勒回波信号进行特征重构,开展MWOA-MP算法在噪声环境下的频率估计精度性能测试。在回波信号信噪比为–10 dB条件下,MWOA-MP算法相对传统方法抗噪声能力提高30%。与其他智能方法融合MP后的频率估计算法相比,MWOA-MP算法的估计误差在10 Hz以内,可满足多普勒海流计频率测量精度要求。 展开更多
关键词 多普勒海流计 频率信号估计 鲸鱼优化算法 匹配追踪
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基于CNN-GRU模型的USV运动姿态多步预测方法
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作者 宋大雷 黄希妍 +3 位作者 李康 傅敏龙 罗晔 陈溟 《舰船科学技术》 北大核心 2024年第13期132-136,共5页
针对单一模型在预测无人水面艇(Unmanned Surface Vessel,USV)运动姿态时精度不高的问题,提出一种基于卷积神经网络(CNN)和门控循环单元(GRU)的USV姿态多步预测模型。首先,使用滑动窗口法构造运动姿态数据集作为模型输入;然后,使用CNN... 针对单一模型在预测无人水面艇(Unmanned Surface Vessel,USV)运动姿态时精度不高的问题,提出一种基于卷积神经网络(CNN)和门控循环单元(GRU)的USV姿态多步预测模型。首先,使用滑动窗口法构造运动姿态数据集作为模型输入;然后,使用CNN模块挖掘时序数据的局部特征;最后,使用GRU模型进行多步预测。使用实测USV运动姿态数据进行预测实验,实验结果表明,该模型比XGBoost模型、单一LSTM模型和单一GRU模型具有更高的预测精度,各项评价指标表现更佳,具有重要的应用价值。 展开更多
关键词 无人水面艇 运动姿态 多步预测 CNN GRU
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无模型自适应控制算法在ROV定深控制中的仿真 被引量:2
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作者 宋大雷 路宁 +3 位作者 周丽芹 李坤乾 杨华 王红都 《船舶工程》 CSCD 北大核心 2019年第9期87-92,103,共7页
将无模型自适应控制方法应用于遥控潜水器(ROV)定深控制当中。该控制方案的设计仅利用ROV的垂向推力输入数据和深度输出数据,用动态线性化时变模型替代ROV非线性系统模型,算法中不包含ROV模型及水动力参数信息。因此,解决了ROV因系统复... 将无模型自适应控制方法应用于遥控潜水器(ROV)定深控制当中。该控制方案的设计仅利用ROV的垂向推力输入数据和深度输出数据,用动态线性化时变模型替代ROV非线性系统模型,算法中不包含ROV模型及水动力参数信息。因此,解决了ROV因系统复杂、水动力参数难以确定,所导致的控制器设计复杂度高、控制效果不理想的问题。为了便于仿真,文章建立含有补偿参数的ROV简化模型,模型仅用于产生系统的I/O数据,不参与控制器的设计。仿真结果表明,在ROV定深控制当中,无模型自适应控制(MFAC)比PID控制具有更强的抗扰能力。此外,在欠阻尼ROV系统中,基于偏格式动态线性化的无模型自适应控制(PFDL-MFAC)方案相比于基于紧格式动态线性化的无模型自适应控制(CFDL-MFAC)方案具有更好的控制效果。 展开更多
关键词 无模型自适应控制 ROV 定深控制 数据驱动
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基于高阶干扰观测器的水下滑翔机迭代学习控制 被引量:2
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作者 周丽芹 傅金辉 +2 位作者 宋大雷 贺同福 姜迁里 《现代电子技术》 2022年第23期97-104,共8页
水下滑翔机可作为移动平台搭载声学多普勒海流计AD2CP进行长航程大范围多尺度海流观测,其高精度的俯仰角控制是海流观测数据准确性的重要保证。模型的不确定性和复杂扰动为水下滑翔机精准俯仰角控制带来了困难。对此,提出一种结合干扰... 水下滑翔机可作为移动平台搭载声学多普勒海流计AD2CP进行长航程大范围多尺度海流观测,其高精度的俯仰角控制是海流观测数据准确性的重要保证。模型的不确定性和复杂扰动为水下滑翔机精准俯仰角控制带来了困难。对此,提出一种结合干扰观测器和模型迭代学习律的二元通道控制方案。基于拉格朗日动力学原理建立了水下滑翔机可量测的标称模型,并将异于标称模型的信息(模型参数变化、不可量测模型信息、环境扰动等)视为“总扰动”。利用标称模型设计了模型迭代学习律,抑制滑翔机剖面轨迹运动相关周期性扰动。对于不可建模的非轨迹周期相关复杂干扰,设计了高阶干扰观测器进行高精度估计,并通过选择适当的补偿增益进行扰动前馈补偿。理论分析证明了所设计的模型迭代学习律和高阶干扰观测器的稳定性,仿真实验验证了该算法的有效性。 展开更多
关键词 水下滑翔机 标称模型 总扰动 高阶干扰观测器 模型迭代学习 重复扰动 非重复扰动 二元通道
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无人船实时路径规划与编队控制仿真研究 被引量:6
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作者 宋大雷 干文浩 +2 位作者 许嘤枝 曲秀青 曹江丽 《系统仿真学报》 CAS CSCD 北大核心 2023年第5期957-970,共14页
安全和无碰撞导航是无人船正常航行的基础。通过Unity3D构建高保真的虚拟海洋环境,在无人船建模基础上,提出一种面向未知复杂环境的实时路径规划及编队控制方法。利用激光雷达获取的局部环境信息,在重规划的策略下,结合A-star以及航路... 安全和无碰撞导航是无人船正常航行的基础。通过Unity3D构建高保真的虚拟海洋环境,在无人船建模基础上,提出一种面向未知复杂环境的实时路径规划及编队控制方法。利用激光雷达获取的局部环境信息,在重规划的策略下,结合A-star以及航路抽稀方法完成实时局部路径规划。基于领航-跟随者策略与一致性方法进行编队控制,结合人工势场法完成多无人船的避障航行任务。在多种复杂地图上的仿真实验表明,该仿真系统具有较好的真实性和视觉效果,为无人船模拟试航提供了有效手段。同时,无人船群利用所提算法可以依次抵达预设航路点,自主变换队形实时避障,在工程应用中具有一定理论意义和实用性。 展开更多
关键词 无人船 运动仿真 场景模拟 路径规划 编队控制
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模型补偿的水下桥墩检测机器人抗扰控制研究 被引量:2
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作者 宋大雷 严志鹏 +2 位作者 郭亭亭 王昌斌 姜迁里 《现代电子技术》 2022年第5期129-133,共5页
水下桥墩检测机器人定点悬停检测作业时,姿态受外界强流扰动作用明显,对控制器的控制性能提出挑战。为增强机器人检测作业的稳定性和抗流性能,提出水动力模型补偿的自抗扰控制方法。首先,采用水动力仿真技术获取机器人迎流阻力与迎流角... 水下桥墩检测机器人定点悬停检测作业时,姿态受外界强流扰动作用明显,对控制器的控制性能提出挑战。为增强机器人检测作业的稳定性和抗流性能,提出水动力模型补偿的自抗扰控制方法。首先,采用水动力仿真技术获取机器人迎流阻力与迎流角之间的机理关系;然后将其作为已知扰动补偿至自抗扰控制器中,利用观测器对内外扰动估计和补偿;最终实现了对强流作业环境中机器人的稳定控制功能。Matlab的Simulink仿真环境中的仿真结果表明:水动力模型补偿的自抗扰控制器相比传统PID和常规自抗扰控制器,由于利用已知信息对观测器补偿使状态观测器的估计负担变小,控制器的控制精度更高、响应速度更快、超调量更小且抗扰动性能更强,更适合应用在外部扰动较强但扰动可观测的复杂环境中。 展开更多
关键词 桥墩检测机器人 模型补偿 定点悬停 水动力模型 自抗扰控制 仿真分析
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垂直微结构湍流剖面仪速度分析与控制 被引量:1
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作者 宋大雷 王浩杰 +1 位作者 周丽芹 臧胜波 《科学技术与工程》 北大核心 2017年第33期58-63,共6页
湍流剖面仪的下潜速度是进行湍流观测时需要重点考虑的一个参数。根据湍流剪切数据测量原理,分析下潜速度对测量结果的影响,确定下潜速度的合理范围。受力平衡条件下,湍流仪的下潜速度由仪器净重和阻力系数决定。影响整体阻力系数的因素... 湍流剖面仪的下潜速度是进行湍流观测时需要重点考虑的一个参数。根据湍流剪切数据测量原理,分析下潜速度对测量结果的影响,确定下潜速度的合理范围。受力平衡条件下,湍流仪的下潜速度由仪器净重和阻力系数决定。影响整体阻力系数的因素有3个,即3个阻力分量:主体结构的冲击阻力、黏滞阻力和阻尼刷的阻力。采用理论公式与经验公式相结合,分别计算3个阻力对应的阻力系数。根据下潜速度函数,给出速度配置的方法及应该注意的事项。仪器完成后进行下潜速度配置试验,将理论计算结果和试验结果进行比较分析,验证理论计算结果的准确性。 展开更多
关键词 流剖面仪 下潜速度 净重 阻力系数 速度配置
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基于深度强化学习的无人船全覆盖路径规划 被引量:2
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作者 宋大雷 吕昆岭 +2 位作者 陈小平 干文浩 曹江丽 《现代电子技术》 2022年第22期1-7,共7页
无人船使用传统“之”字形算法在不规则岛屿区域执行海上搜索任务时,无法实现全覆盖路径规划。针对该问题,文中提出一种将“之”字形算法和基于深度强化学习的无人船全覆盖路径规划算法框架相结合的混合算法,对大范围无障碍区域使用“... 无人船使用传统“之”字形算法在不规则岛屿区域执行海上搜索任务时,无法实现全覆盖路径规划。针对该问题,文中提出一种将“之”字形算法和基于深度强化学习的无人船全覆盖路径规划算法框架相结合的混合算法,对大范围无障碍区域使用“之”字形算法,对存在障碍的小范围区域使用深度强化学习算法框架,并引入内在好奇心模块增强该算法框架的收敛速度。该算法框架将搜索区域的地图信息转换成矢量观测值并通过全连接层传递给智能体,从而训练出一个神经网络为无人船做规划决策,在满足规避障碍物的安全约束条件下实现任务区域的全覆盖。试验方面,通过Unity3D仿真平台搭建三维环境模型,验证该混合算法的可行性。结果表明,所提出的无人船全覆盖路径规划算法框架可在岛屿区域达到覆盖率100%,且路径较短。 展开更多
关键词 无人船 深度强化学习 全覆盖 路径规划 避障 仿真实验 可行性验证
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基于分段模型预测控制的亚中尺度观测器垂向控制研究
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作者 宋大雷 刘超 +3 位作者 周丽芹 孙伟成 孙洪秀 刘华龙 《中国海洋大学学报(自然科学版)》 CAS CSCD 北大核心 2023年第10期107-114,共8页
为获取海洋亚中尺度过程在水平固定位置垂直剖面的连续时间序列数据,本文采用分段模型预测控制的方法,对亚中尺度观测器的垂向运动进行精确的控制。在建立亚中尺度观测器精确模型的基础上,对模型预测控制(MPC)算法的预测步长、控制步长... 为获取海洋亚中尺度过程在水平固定位置垂直剖面的连续时间序列数据,本文采用分段模型预测控制的方法,对亚中尺度观测器的垂向运动进行精确的控制。在建立亚中尺度观测器精确模型的基础上,对模型预测控制(MPC)算法的预测步长、控制步长、约束和成本函数开展设计。针对海流不确定性所导致的模型变化问题,对系统模型、控制算法进行了分段处理。通过对比分析剖面运动的仿真结果和试验数据,验证了模型和算法的有效性。仿真结果表明对于垂向运动的控制,分段式模型预测控制相对于传统的MPC具有调节误差小和稳定时间短的优点,能够减少亚中尺度观测器水平漂移量约7.9%,对亚中尺度过程的数据获取和认知具有现实意义。 展开更多
关键词 模型预测控制 海洋亚中尺度 垂向运动 海流 观测器
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基于改进YOLOv3-Tiny的端到端海参自吸捕方法研究
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作者 周丽芹 郭太远 +4 位作者 姜迁里 孙伟成 李栋 宋大雷 孙洪秀 《中国海洋大学学报(自然科学版)》 CAS CSCD 北大核心 2023年第10期115-120,共6页
针对海参智能化采捕中目标检测任务和吸捕任务难以结合的问题,本文提出了一种基于数据驱动和以目标为中心的端到端海参机器人自主吸捕方法,该方法在YOLOv3-tiny的框架基础上将特征提取网络增强以进行目标检测,使用K-means方法对海参数... 针对海参智能化采捕中目标检测任务和吸捕任务难以结合的问题,本文提出了一种基于数据驱动和以目标为中心的端到端海参机器人自主吸捕方法,该方法在YOLOv3-tiny的框架基础上将特征提取网络增强以进行目标检测,使用K-means方法对海参数据集边界框尺寸进行重新聚类,在保证实时检测的基础上提高了吸捕视角下海参的检测精度。该方法将摄像机采集到的图像输入至海参采捕机器人,并输出机器人的吸捕控制指令,实现了海参的自主吸捕。 展开更多
关键词 端到端 海参自主吸捕 YOLOv3-tiny K-MEANS聚类 实时检测
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等强度正交梁的二维湍流传感器
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作者 宋大雷 刘晓源 +3 位作者 韩德超 陈小平 宋源基 王向东 《传感器与微系统》 CSCD 北大核心 2023年第10期21-24,共4页
针对基于压电效应研制的一维剪切湍流传感器容易受到外界干扰,仅能实现对湍流未知演化阶段、单垂线通路进行一维观测的缺点,以及对边界层产生的湍流各向异性特性有观测局限性问题,提出了基于等强度正交十字梁结构的二维湍流传感器,解决... 针对基于压电效应研制的一维剪切湍流传感器容易受到外界干扰,仅能实现对湍流未知演化阶段、单垂线通路进行一维观测的缺点,以及对边界层产生的湍流各向异性特性有观测局限性问题,提出了基于等强度正交十字梁结构的二维湍流传感器,解决了一维剪切传感器不能同时感知水平和垂向速度脉动的现状,实现了二维矢量、高空间分辨率的湍流探测。湖试实验结果表明,设计的二维湍流传感器0.7 m/s的流速下灵敏度系数达到了1.916×10^(-5)~2.668×10^(-5)Vms^(2)/kg,可以测量湍流并能够获得10^(-8)数量级的低动能湍流耗散率。 展开更多
关键词 等强度 正交梁 湍流 二维传感器 耗散率
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AUV海洋微结构湍流观测减振方法及实验研究
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作者 乜云利 栾新 +2 位作者 宋大雷 高奇 杨华 《振动与冲击》 EI CSCD 北大核心 2020年第22期82-88,共7页
自主水下航行器(AUV)作为移动式自主海洋观测平台,具有长航时、大范围、不受海况影响等优点,与湍流观测仪集成可实现湍流混合在空间与时间上的四维观测,为揭示湍流混合在多尺度动力过程演化与变异中的作用提供新手段。针对AUV海洋微结... 自主水下航行器(AUV)作为移动式自主海洋观测平台,具有长航时、大范围、不受海况影响等优点,与湍流观测仪集成可实现湍流混合在空间与时间上的四维观测,为揭示湍流混合在多尺度动力过程演化与变异中的作用提供新手段。针对AUV海洋微结构湍流观测时的振动噪声问题,从AUV海洋微结构湍流观测的原理出发,分析了振动噪声对湍流观测的影响以及AUV振动噪声的来源及特性。为了减小AUV的振动噪声,提高湍流测量精度,提出了一种基于拉伸弹簧的柔性连接减振方法,并开展了振动实验研究。通过对比分析减振前后加速度的时频域特性,结果表明振动在经过柔性连接减振装置后的加速度有效值及能量明显减小,尤其在54 Hz以上频段有效值减少率在64%以上,验证了该方法的有效性。 展开更多
关键词 自主水下航行器(AUV) 海洋微结构湍流 测量精度 柔性连接减振 振动实验
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大排量水下滑翔机建模与扰动抑制方法
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作者 郭亭亭 宋大雷 +1 位作者 李娟 臧文川 《系统工程与电子技术》 EI CSCD 北大核心 2019年第12期2855-2863,共9页
目前已有的动力学模型无法准确描述大排量滑翔机的动力学特征,而常规控制器针对滑翔机大时滞强耦合系统控制效果并不理想。针对上述问题,综合考虑浮力驱动机构中内外油囊的质量和质心位置矢量变化,建立了大排量滑翔机的双质点变质量变... 目前已有的动力学模型无法准确描述大排量滑翔机的动力学特征,而常规控制器针对滑翔机大时滞强耦合系统控制效果并不理想。针对上述问题,综合考虑浮力驱动机构中内外油囊的质量和质心位置矢量变化,建立了大排量滑翔机的双质点变质量变位置矢量模型。在建模的基础上,通过考虑扰动和实际工作特性,对滑翔机俯仰角和速度回路进行了比例积分微分(proportional-integral-derivative,PID)控制器和抗扰控制算法设计对比实验。结果表明,自抗扰控制器控制精度更高、响应速度更快、超调更小,滑翔机灵活性更高、续航更长。而且,由于自抗扰控制器的抑制内外扰动能力更强,更适合复杂海洋环境下的运动控制。 展开更多
关键词 水下滑翔机 动力学建模 大排量浮力驱动 扰动抑制 自抗扰控制
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Cooperative Sampling Path Planning of Underwater Glider Fleet with Simultaneous Launch and Recovery
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作者 ZANG Wenchuan song dalei YAO Peng 《Journal of Ocean University of China》 SCIE CAS CSCD 2023年第4期975-982,共8页
As low-cost and highly autonomous ocean observation platforms,underwater gliders encounter risks during their launch and recovery,especially when coordinating multi-glider deployments.This work focuses on cooperative ... As low-cost and highly autonomous ocean observation platforms,underwater gliders encounter risks during their launch and recovery,especially when coordinating multi-glider deployments.This work focuses on cooperative path planning of an underwater glider fleet with simultaneous launch and recovery to enhance the autonomy of sampling and reduce deployment risks.Specifically,the gliders collaborate to achieve sampling considering the specified routines of interest.The overall paths to be planned are divided into four rectangular parts with the same starting point,and each glider is assigned a local sampling route.A clipped-oriented line-of-sight algorithm is proposed to ensure the coverage of the desired edges.The pitch angle of the glider is selected as the optimizing parameter to coordinate the overall progress considering the susceptibility of gliders to currents and the randomness of paths produced by complex navigational strategies.Therefore,a multi-actuation deep-Q network algorithm is proposed to ensure simultaneous launch and recovery.Simulation results demonstrate the acceptable effectiveness of the proposed method. 展开更多
关键词 underwater glider fleet cooperative sampling path planning simultaneous launch and recovery clipped-oriented line-ofsight multi-actuation deep-Q network
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