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。

新型高速无人艇船型和水动力特性研究

无人艇作为最典型的海上无人智能平台系统得到了广泛的关注和开发,高性能无人艇船型开发是无人艇开发的重要组成部分。近期开发了一种用于无人艇的高速高耐波性船型,采用单体穿浪半滑行式设计。介绍了新型高速无人艇船型的概念设计方案及改进方案的船型设计特点。基于拖曳水池试验、自航模试验和CFD手段研究了该高速无人艇船型的水动力相关特性。研究结果表明该高速无人艇船型具有优良的快速性、耐波性和机动性。

一种基于深度学习的高速无人艇视觉检测实时算法

针对高速无人艇自主航行时对视觉检测的实时性以及由于水面场景变化和波浪反射等干扰的鲁棒性需求,提出一种基于深度学习的高速无人艇视觉检测实时算法.采用基于MobileNet的神经网络快速提取全图特征,设计SSD结构的检测网络融合各层特征图的结果以完成快速多尺度检测,并在嵌入式GPU NVIDIA Jetson TX2硬件平台上将算法实现并验证.结果表明,该算法能够实时检测多类水上特定目标,具有鲁棒性强、多尺度的特点,单帧视频的检测时间可以控制在50 ms以内.

微型固定翼无人机机电性能测试与试验

为解决当前微型无人机机电性能研究较少的问题,研究了微型固定翼无人机静态和动态工作机电特性,建立该平台飞行功率与工作电流、拉力、螺旋桨风场等因素间的数学模型。以后退式无人机机体为基础,研究螺旋桨在旋转中不同平面中不同距离、工作电流等因数下无人机风场变化。最后通过该平台验证该无人机的工作特性和可行性。试验结果表明,无人机电机转速、拉力与工作电流呈对数关系,其拟合系数R^2大于0.95,同时拉力与转速两者之间呈直线比例关系。随着无人机载重的不断增加,机翼变形也不断增加。从风场曲面得出距离螺旋桨15 cm处的风速最小,在左右5 cm处的风速最大,螺旋桨中心位置形成了一个低于最大风速的管道。此外,通过分析实验数据得到了平行和垂直于螺旋桨转动平面,及风场变化的三维曲面和等高曲面图等,曲面图直观反映无人机在不同工作电流的风场变化特性,为今后微型固定翼无人机的设计和应用提供必要理论依据。

基于MPC的USV自主航行仿真研究

水面无人艇的主要任务包括按照设定航线循迹航行以及在面临复杂环境下能够安全经济地避开海上静态障碍物和/或动态障碍物并最终顺利到达目的地。本文基于模型预测控制的设计框架,在船舶运动模型中充分考虑船舶的水动力特性以及风流等外界的干扰,以航迹偏移量、航速变化量、碰撞危险度和规则符合度构造评价函数,以无人艇执行机构的动力为约束条件,设计实现了一种水面无人艇自主航行模型。通过仿真实验,验证了所设计的控制算法可实现水面无人艇在期望航迹上的自主航行。

无人水面艇自主控制系统设计与试验研究

设计一种高速无人水面艇自主控制系统,包括岸基和船载设备两大部分,两者通过大功率无线网桥进行控制及数据信号交流,具有自动控制和手动遥控两种控制模式,能够实现循目标点航行及自主规划路径航行。系统软件架构基于多Agent技术,航向航速协同控制采用模糊自适应算法,任务路径规划采用遗传-蚁群融合算法。开发无人艇自主控制系统试验研究平台,并在开阔水域进行了试验研究,包括航向航速模糊自适应控制算法试验、路径规划算法试验、自主航行功能试验,并进行相应的数据分析。试验表明,无人艇在任意初始航向航速和随机干扰的情况下都能顺利高效地到达目标点,以此为基础能成功实现自主规划路径航行。

端口受控哈密顿方法的电力双推进无人船航向航速控制

以电力双推进无人船航速航向控制为主要研究问题,使用永磁同步电机作为无人船螺旋桨的驱动电机,采用基于端口受控哈密顿(PCH)方法,有效的降低了系统损耗,使无人船驱动系统输出功率得到了优化。仿真结果表明,系统能较快达到稳定状态,实现了无人船的速度控制要求,提升了无人船系统的续航能力。

基于改进视线法的欠驱动无人艇路径跟踪

针对水面无人艇执行高机动性任务时速度随时可能改变,从而影响控制精度,如目标包围、目标检测。本文提出基于自适应双曲正切视线法控制系统,通过自适应参数减小水面无人艇纵向速度改变对视线法的影响,采用tanh函数修正期望艏向曲线平缓度。仿真结果表明:虽然基于自适应双曲正切视线法和视线法均能在恒定速度和曲率变化范围内很好的收敛,但是在速度和曲率的范围会发生变化的情况下,基于自适应双曲正切视线法依旧能够保持良好的控制精度,视线法精度受损较大,其中速度震荡时间,横侧偏差超调明显变大。通过外场试验证明了基于自适应双曲正切视线法在随机环境干扰下,基于自适应双曲正切视线法具有较好的鲁棒性,且其能够在高速航行的情况下仍然具备较好跟踪精度。

自然能驱动无人艇融合TD滤波的无模型自适应航速控制方法

针对波浪力影响下自然能驱动无人艇(NSV)航速控制子系统存在的不完全可控、模型摄动、变频振荡等问题,以驭浪者号NSV为研究对象,探讨基于紧格式动态线性化无模型自适应控制(CFDL-MFAC)的NSV航速控制算法;同时,考虑波浪干扰下NSV航速数据具有噪声大、变频振荡的特点,导致航速控制子系统性能较差,引入TD滤波器对NSV的航速进行滤波,增强航速响应的平稳性,从而提升航速控制的抗干扰能力;开展仿真对比试验,试验表明相比PID控制算法,带有TD滤波器的CFDL-MFAC算法具有更好的控制性能。

变频调速在无人艇驱动中的应用

电力驱动无人艇作为船舶工业未来发展的方向,变频调速技术在无人艇驱动的应用让电力驱动与无人艇控制得到更好的结合。本文设计一种新型的船舶超声波测速装置,该装置成本低,实时性好,测量精度高抗干扰能力强。采用滑模控制方法设计无人艇航速控制器,进行仿真分析,验证算法的有效性。采用1.4米长深V型滑行艇作为实验平台,以永磁同步电机作为无人艇主机,使用变频调速方法控制主机,进行物理实验,实验结果航速控制稳定,效果良好。

差速转向式双推无人艇航向与航速联合控制研究

针对双推无人艇航速和航向联合控制问题,研究了MOOS-Ivp架构下基于PID控制的双电推无人艇航向与航速控制方法.首先研究了MOOS-Ivp架构下相应软件模块的功能和系统组成,并配置了保证控制系统正常运行所需的软件模块,提出了一种采用PID算法的航向和航速控制的闭环控制方法,设计了影响航向和航速PID控制精度的控制参数,进一步根据系统控制流程编写了闭环控制模块软件,并设计了下位机控制器和运动控制器的控制协议.最后通过岸边实验获取了该无人艇的速度和航向控制参数,并通过仿真和岸边实验验证了所提控制方法的有效性.

基于PMSM的双螺旋桨USV推进系统建模与仿真

以固定双螺旋桨无人水面艇(USV)的推进系统为研究对象,以永磁同步电机为推进电机,结合双螺旋桨USV的运动特点与操纵控制原理,设计一种以控制推进电机转速为核心的双螺旋桨推进系统控制方案,通过协调控制左右推进电机的转速实现对USV航速与航向的控制.仿真结果验证了所设计的双螺旋桨USV推进系统控制方案的正确性和有效性.

高速无人艇的运动建模及其视景仿真

为探讨基于喷水推进方式的无人艇运动建模及其视景仿真方法,根据船舶操纵性和快艇动力学的基本理论,建立无人艇的动力学模型,并根据喷水推进器的倒车原理,提出分流系数法来分析喷嘴和倒车斗的受力,推导出相应的表达式,建立无人艇的六自由度操纵性数学模型.设计基于该模型的无人艇视景仿真的体系结构,并进行各种操纵性运动的仿真试验.结果表明,该运动模型能够较好地反映无人艇在海洋环境中的操纵性.