基于非线性修饰和零阶保持器的船舶航向保持控制

[目的]为了解决船舶在海上航行时控制器舵角输出大、打舵频率高、控制速度较慢以及控制精度较低的问题,利用三阶闭环增益成形算法设计鲁棒控制器。[方法]首先,利用三阶闭环增益成形算法设计出线性鲁棒控制器,然后,在控制策略中加入双曲正切非线性修饰以及零阶保持器,在不同海况下对该控制器的性能进行仿真实验。[结果]仿真结果表明,相比于基于非线性修饰的传统PID控制器,在一般海况下,所提控制器在延迟时间、控制精度以及能量输出上分别改进了36%,14%和32%;在恶劣海况下,分别改进了27%,7%和16%。此外,不同海况下该控制器的仿真结果都具有稳定的舵角输出,并可以较快地稳定在临界值附近,证明了其具有较好的鲁棒性。[结论]改进的控制器符合工程实践,对于智能船舶的控制具有较好的应用参考价值。

混合遗传算法下欠驱动船舶航向保持控制方法

欠驱动船舶容易受到风、浪、洋流等外部环境因素的影响,导致航向偏离、船体摇晃,航行安全风险增加,为提高其在各种海况下的稳定性和安全性,提出混合遗传算法下欠驱动船舶航向保持控制方法。构建欠驱动船舶数学模型描述其动态行为,设计包含跟踪微分器和分数阶滑膜控制器的航行保持控制器,生成期望航向的平滑过渡过程,为后者提供航向角速度和角加速度信号。以航向误差作为其输入控制量,通过设计的分数阶滑膜面和控制律实现期望航向追踪,采用混合遗传算法优化控制器参数,提高航向跟踪效果。实验结果表明:该方法可实现不同海况下船舶航向保持控制,控制效率高、航向控制超调量小。

基于单天线航向测量的股道占用判别方法研究

随着北斗卫星系统的建设完成,以卫星导航为核心的车载化列车定位成为列车定位系统的发展方向。在这一背景下,精准判别列车股道占用成为确保列车高精度位置感知的必要前提,对避免冲突、支撑列车调度决策和保障列车安全具有重要的意义。针对传统的股道占用判别方法通常依赖于地面设备,易受到成本、复杂性和维护困难等因素制约的问题,研究利用低成本的单GNSS天线进行高精度的列车航向角测量。特别是在道岔咽喉区,计算单天线测量结果与数据库中列车航向的偏差,评估对不同股道的占用概率。为此,首先构建了载波相位星间差分与历元差分的双差分模型,消除了电离层、对流层、钟差、模糊度等一系列卫星定位误差源的影响;其次,通过扩展卡尔曼滤波估计相邻历元间列车的位移变化量,同时计算伪姿态坐标系下的列车航向;最后,基于航向角偏差进行列车的股道占用判别,并利用列车进出青藏线联通河站的实测数据对所提算法进行了验证,并结合轨道电子地图,判别列车占用正线/侧线不同股道的置信概率。实验结果表明:通过单天线解算列车航向角的误差均方根为0.111°,根据航向角偏差进行股道判别的模糊区距离减少了约50m,模糊区时间减少了约5s。仅通过单天线航向解算完成高精度的航向测量,并根据航向角偏差实现股道占用判别,可作为轨道占用的一种判别方式,具有一定的工程价值。

基于直线检测的航向角误差校正方法

提出了一种基于直线检测模型的多传感器数据融合航向角随机误差校正方法,旨在提高农林环境下低成本传感器组成的定位平台的精度。该方法通过调整直线检测阈值来实现状态的动态调整,以提高导航系统的鲁棒性和精确性。再将多传感器数据通过卡尔曼滤波融合,实现航向角随机误差的校正。试验结果表明,该方法在不同路径和速度下能有效降低航向角误差提高定位精度。在直线行进试验中,本方法的定位精度保持在5cm以内,航向角误差在5°以内。在矩形行进试验中,本方法的轨迹与差分RTK方法相近,平均误差仅为2.7cm,标准差为3.9cm。这一航向角校正方法为农业机械和车辆环境中的自主操作提供了有力支持。它能够适应不同的环境条件,提高导航系统的性能和测量准确性。

基于自适应ZUPT与航向角误差修正的INS约束算法

为提高行人惯性导航系统(INS)的定位精度,提出了一种基于自适应零速修正算法(ZUPT)与航向角误差修正的INS约束算法。首先,利用基于广义似然比的零速检测阈值与检验统计量的特征值建立关系式,实现对零速检测阈值的自适应调整。然后,对INS解算位置建立线性回归模型,结合主航向与解算航向的航向差,根据行人运动类型构建观测向量和观测矩阵,对INS误差进行修正。最后,经实验验证,当行人在复杂路线变速运动时,相较于固定阈值的零速检测算法和主航向修正算法,所提算法的解算轨迹更接近真实轨迹,平均闭环误差从3.31%D减小至1.45%D,有效提高了INS定位精度,具有较好的工程应用价值。

预设性能下的输出受限船舶航向切换容错控制

针对船舶输出受限、执行器故障不确定性和受到未知海洋扰动的船舶航向控制问题,提出一种基于切换策略的自适应容错控制方案。利用对数障碍李雅普诺夫约束航向误差并将状态输出约束在有限范围内。结合预设性能理论和反步法,针对具有不确定参数和执行器故障的船舶控制系统,将健康执行器作为备用。通过设计一套监控函数来监督航向误差的动态范围,实现了在执行器故障且故障模式未知的情况下,船舶航向控制器从故障执行器切换到健康执行器,同时满足跟踪误差的收敛性及控制系统稳定性。仿真验证了所提出算法的有效性。

基于重叠网格的船舶航向稳定性数值研究

基于重叠网格技术,采用URANS粘性数值模拟方法,对标准船模KVLCC2裸船体的航向稳定性进行了数值预报。基于STAR-CCM+平台,采用重叠网格技术和切割体网格,根据SIMMAN2014提供的标准算例,对KVLCC2进行了斜航运动和纯艏摇运动的数值模拟,得到了横向力和转首力矩的历时曲线,并根据操纵性数学模型推倒出水动力导数,并计算稳定性衡准数,所有计算结果同模型试验数据吻合较好,验证了采用当前处理方法预报航向稳定性的可靠性。

基于转向架航向角的既有铁路平面线形识别方法研究

轨道平面线形识别是解算轨道不平顺的基础。针对外挂式动态轨道检查仪的实际需要,提出一种基于转向架航向角的铁路平面线形识别方法。首先,通过分段试拟合判定准则自动识别各测点所属线元类型和特征点数量;然后,建立基于转向架航向角的平面线形特征点优化模型;最后,结合云模型改进传统遗传算法的搜索策略提出云遗传算法,实现铁路平面线形精确识别。研究表明,平面线路曲线特征点识别偏差在4 m以内,线形识别准确度均达到97%以上,满足外挂式动态轨道检查仪对轨道不平顺解算的精度要求。

基于目标概略航向的反舰导弹纯方位攻击法

为充分利用累积的目标历史方位测量信息,提高反舰导弹纯方位攻击时的目标捕获概率,在估计目标概略航向的基础上,采用几何分析和三角函数分解方法,建立了导弹纯方位攻击提前转向角与目标速度、导弹速度间的解析关系式,获得了导弹末制导雷达百分之百捕获目标区域半径计算模型和目标捕获概率的计算方法。仿真结果表明,通过设置提前转向角可显著提高反舰导弹末制导雷达目标捕获概率,增大百分之百捕获目标区域半径,有助于提升反舰导弹作战效能。

中国特色音乐体系需锚定理论与创作的双航向

毛泽东同志《在延安文艺座谈会上的讲话》厘清了近当代中国音乐理论和创作的历史逻辑、话语体系和思维方式。进入21世纪,习近平总书记《在文艺工作座谈会上的讲话》提出以“人民为中心”的文艺方针,为构建中国特色音乐体系的建设提供了哲学基础,明确了当代中国音乐的历史方位和发展方向。为了适应新时代发展,中国音乐理论研究亟须把握好音乐理论和音乐创作两大航向,加快构建中国音乐学科体系、学术体系、话语体系,提炼出具有中国音乐的标识性概念和话语,构建中国音乐自主知识体系;中国音乐创作实践需要在两个《讲话》“文艺为人民服务”的思想指导下实现创新性发展,以中国风格的优秀音乐作品彰显中国精神,促进中国音乐派与世界其他音乐文化对等交流,开创中国特色音乐体系新格局,为中华民族伟大复兴贡献力量。

基于二型模糊控制的无人艇航向航速控制系统设计与试验

[目的]针对水上复杂多变的环境给无人艇(USV)控制带来的不确定性干扰,提出基于二型模糊控制算法的USV航向航速控制器,并运用所提算法研制一套智能自主稳健的控制系统。[方法]构建USV航向航速运动特性模型,利用递推最小二乘法(RLS)对航向航速运动特性模型进行参数辨识,基于辨识的航向航速运动特性模型分别设计二型模糊控制算法和滑模控制算法,并进行实艇验证试验。[结果]结果表明,相较于滑模控制算法,二型模糊控制算法在控制USV时表现出了较好的鲁棒性,具有较理想的抗干扰能力,但在实时响应方面略长。[结论]研究结果可为在不确定干扰环境下的USV运动控制提供参考。

一种穿戴式多IMU的航向对齐方法

针对基于穿戴式多惯性测量单元(IMU)的行人定位与步态测量应用中,多IMU之间的航向对齐通常依赖磁力计、专业人员辅助以及关节假设模型,操作流程复杂度高且精度无法保障的问题,提出一种适用下肢安装多IMU的航向对齐方法:设计适用足部、小腿和大腿IMU的统一的杆臂补偿零速修正算法,利用行人足部周期性触地规律构造的零速度观测值,准确恢复所有IMU的运动轨迹;然后基于轨迹相似性约束,实现多个IMU的航向对齐;最后在室外开阔场景下评估运动轨迹恢复精度和航向对齐精度。实验结果表明,航向对齐精度和各部位IMU的轨迹恢复精度呈正相关;在行走轨迹长度大于15 m时,各IMU的航向对齐精度均优于1°(均方根值)。该方法操作简单,易于实施,能够满足基于多IMU的人体运动分析和行人定位应用需求。

基于自抗扰控制器的无人艇航向自适应控制

为了提高水面无人艇在外界干扰和自身运动状态变化等非线性及不确定因素下的航向控制精度,针对常规自抗扰控制(ADRC)在船舶航向控制中存在的参数整定难这一问题,提出将粒子群优化算法(PSO)与径向基函数神经网络(RBF)相结合的ADRC参数自适应整定和无人艇航向精确控制策略。设计一个RBF网络用于准实时无人艇运动模型建模。在此基础上,运用粒子群算法对无人艇航向ADRC控制器参数整定进行优化。仿真试验结果表明:设计的RBF-PSO-ADRC控制器在无人艇的航向控制中相比常规ADRC控制器和比例-积分-微分控制器(PID)控制器表现出更好的动态响应特性和稳定性,对未知扰动也具有较强的鲁棒性和抗干扰能力。RBF-PSO-ADRC控制器实现了复杂环境下ADRC控制器参数的自适应优化整定,这对于高精度的无人艇航向控制和航线跟踪具有一定实际意义,可为水面无人艇操纵设计提供有益参考。

基于自适应神经网络的船舶航向保持预定义性能PI控制

为解决模型动态不确定和外部扰动未知的船舶航向保持问题,提出一种基于自适应神经网络的船舶航向保持预定义性能PI控制方案。在PID控制设计框架下,引入自适应神经网络和预设性能控制技术,从不确定补偿和设计角度提高船舶航向保持的精度和控制性能。在控制设计中,结合自适应神经网络技术与单参数学习技术,使得整个船舶航向保持闭环控制系统仅需要在线更新一个未知参数,系统的复杂度降低,且可以实现离线确定船舶航向误差的功能。基于李雅普诺夫稳定性理论进行分析,结果表明所提出的控制方案能保证整个闭环控制系统所有信号均有界。通过数值仿真验证了所提出方案的有效性和优越性。

基于声阵列的运动车辆航向估计算法

野外监控传感器网络通常会利用多个节点的信息来估计运动目标的航向。若单个传感器节点能够实现对运动目标航向的估计,将有效降低传感器网络的通信开销,并提高信息融合效率。在此背景下,文中提出一种适用于单体传感器节点的运动车辆目标航向角估计方法。该算法利用了节点内置的声阵列和电子罗盘数据,并针对野外环境中存在的风噪声和突发干扰进行了相应的处理策略设计。首先,对提出的航向估计算法理论进行了分析,将航向估计问题的主要研究内容细分为方位角估计问题和最邻近时刻估计问题;其次,对抗干扰方位角估计算法和最邻近时刻估计算法进行了介绍;最后为验证提出算法的效果,在采集的样本上进行了仿真实验,分别从风力大小和布设距离两个角度对实验结果进行分析,验证了所提算法对于野外环境下车辆目标航向角计算的有效性。

基于双重非线性修饰的无人船航向保持自抗扰控制

为研究无人船的航向保持控制问题,设计节能稳定、鲁棒性强的船舶航向保持控制器。以“育鲲”轮船模为研究对象,根据其相关参数建立船舶Nomoto模型并进行线性自抗扰控制器设计。为了践行低碳航行理念,减少无人船实际航行过程中的能耗,引入双重非线性修饰环节,使用MATLAB的Simulink工具箱进行仿真研究。仿真结果证明:根据船舶Nomoto模型和相关参数建立的线性自抗扰控制环节参数整定简单,使用船舶线性及非线性模型进行仿真试验可验证其具有较好的稳定性和鲁棒性。基于现有研究,引入双重非线性修饰环节,使用非线性函数对控制器的输出信号进行非线性化处理,使系统在使用更低能量输入时可得到更好的控制效果,实现无人船航行过程中的节能目标。使用文章所提控制方法可很好地实现无人船航向保持控制,降低船舶航行过程的能耗,具有一定的工程实用意义。

输入饱和约束下自适应RBF神经网络非线性反馈船舶航向控制

针对输入饱和约束下外界扰动和模型不确定情况下的船舶航向跟踪控制问题,提出一种自适应径向基函数(radial basis function,RBF)神经网络非线性反馈航向跟踪控制方法。利用自适应RBF神经网络对外界扰动和模型不确定项进行估计,并利用最小学习参数法减少计算量;将一个具有误差增益反相关特征的非线性函数嵌入控制律中,设计一种非线性反馈控制方法;利用李雅普诺夫理论证明所有信号在考虑外界扰动和模型不确定的船舶航向跟踪控制系统中都是一致有界的。通过仿真和比较,验证了所设计控制方法的有效性。所做研究可为输入饱和约束下船舶航向跟踪控制提供参考,具有工程实际意义。

波浪滑翔器航向控制方法与实验研究

波浪滑翔器是一种典型的非线性、强耦合、欠驱动系统。传统比例-积分-微分(proportion integral derivative, PID)控制器在复杂多变的海洋环境下难以满足高精度的航向控制要求且存在参数整定困难、无法在线调整等缺点。针对此问题提出一种基于改进粒子群优化(improved particle swarm optimization, IPSO)算法的反向传播(back propagation, BP)神经网络PID控制方法,首先建立波浪滑翔器数学模型,其次利用BP神经网络的自学习能力自适应调整PID参数。同时针对BP神经网络存在对初始权值敏感、反向传播易陷入局部极值等缺点,引入IPSO算法对网络初始权值进行优化,确保BP-PID网络能够获取全局最优解。基于仿真进行海试验证,结果表明所提算法能够显著提高航向控制性能,验证了所提算法的有效性和真实性。

基于ZYNQ的旋转式偏振光航向角检测系统设计

针对成像式偏振光导航的高精度和解算实时性的需求,论文设计了一种基于ZYNQ7020的旋转式偏振光航向角检测系统。研究采取体轴与正北方向重合的方式,实时解算太阳子午线与正北方向夹角,即为航向角。该系统采用高精度无刷电机使偏振镜以固定角度旋转,同时进行曝光,相机从不同的角度拍摄了三张偏振图像,采取三张偏振图像为一组的流水线处理方式,进行解算航向角。在室外晴空少云条件下,该系统的最大误差为1.65°,平均误差为0.34°。实验结果表明,在精度和可靠性方面,论文设计的偏振光航向角检测系统都有良好的表现,可以实时进行偏振光采集解算太阳子午线位置以及航向角。

类双锥型升力式返回器横航向不稳定性分析及改进

类双锥型升力式返回器的横航向稳定性对其理想再入策略的实施构成严苛的约束,且在设计阶段需要进行专门分析。针对类双锥型升力式返回器的标称再入过程,使用数值仿真方法计算该飞行器在全速域、宽迎角范围内的横航向稳定性,结合流场特征分析亚/跨/超声速速域内的横航向稳定性突变规律;重点分析涡流发生器、航向增强型面、重心偏置对横航向稳定性的影响及其作用机理,最终确定了航向舵偏转与重心偏置相结合的方案就是最佳横航向增稳方案。