虚假数据注入式攻击下无人水面船舶自适应神经输出反馈轨迹跟踪控制

本文主要研究网络环境下无人水面船舶(Unmanned surface vessels,USVs)遭受虚假数据注入式(False-data-injection,FDI)攻击的跟踪控制问题.其中,内部和外部不确定以及输入饱和约束等实际因素均考虑在设计中.在控制设计过程中,为避免将船舶速度的攻击信号引入闭环系统,采用分类重构思想,构造一种新的神经网络(Neural network,NN)状态观测器,同时重构船舶速度和攻击信号.进一步,在backstepping设计框架下,利用重构的攻击信号补偿USVs运动学通道因虚假数据注入式攻击引起的非匹配不确定项.在动力学设计通道中,利用自适应神经技术和单参数学习法,重构由内部和外部不确定组成的复合不确定部分,进而提出自适应神经输出反馈控制方案.理论分析表明,即便在FDI攻击、内外不确定以及执行器饱和约束的情况下,所提控制方案仍能迫使USVs跟踪给定的参考轨迹.同时,仿真和比较结果证实了所提控制方案的有效性和优越性.

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。

基于明轮的全向移动式无人船舶设计

该文针对现有垃圾清理船舶回转半径较大(尤其在小型狭窄水域中机动性差)等问题,设计了一种基于4个明轮的全向移动式无人船舶平台。文中首先建立该船舶的运动学模型,并进行了动力学分析;然后结合直流电机编码器的实时运动数据,利用模糊自适应比例-积分-微分控制算法实现了对明轮的稳定控制。实验结果表明:该全向移动式无人船舶能在艏向角不变的情况下,实现横向、纵向和斜向等方向的运动,其轨迹跟踪精度高,误差在10 cm内,实际航行跟踪轨迹贴合期望轨迹。该船舶具有无回转半径、吃水浅等优势,适用于小型狭窄水域中工作的无人船舶平台。

基于改进模糊评价法的无人艇碰撞风险计算

为了解决传统模糊评价模型在船舶风险评估中多仅适用远距离场景,以及缺乏考虑《国际海上避碰规则》(International Regulations for Collision Avoidance at Sea,COLREGs)等问题,提出一种改进的模糊评价法,用于计算水面无人艇(unmanned surface vessel,USV)的碰撞危险度。该方法采用四元船舶领域确定模型中的安全距离,并通过行动域模型明确模型中碰撞威胁距离。同时,将两船是否构成紧迫危险局面引入到碰撞危险度的计算中。实验结果表明,改进后的方法能够适用于近距离水域的USV碰撞危险度计算,同时满足COLREGs的要求和航海避碰实际情况。

一种基于海空无人集群的自杀式无人艇防御策略

近期俄乌战场上自杀式无人艇的运用被高度关注,针对反自杀式无人艇袭扰这一问题,文中通过“无人对无人”的思想,提出一种以无人艇、无人机等低成本平台为基础,具备“协同赋能、自主管控、敏捷响应”的新型反自杀式无人艇袭扰概念。统筹运用多个轻量化、具备简单交互和自主决策能力的无人艇、无人机等平台,通过分析典型自杀式无人艇能力,研究海空协同任务分配与规划、跨平台协同侦察定位等关键技术,构建新型侦察防御无人系统,不仅能全天候准实时覆盖重点防御区域,针对入侵可疑目标做到敏捷确认、即察即打,还能拓展高价值目标的防御纵深、构建多层防御带,应对自杀式无人艇集群的“狼群”式袭击。

基于非对称模型的欠驱动USV路径跟踪控制

针对水面无人艇(unmanned surface vessel,USV)的非对称和欠驱动特性,提出了一种非对称模型下的改进视线法导向路径跟踪控制方法。首先通过对系统进行全局微分同胚变换,解决了由非对称性带来的系统系数矩阵非对角线元素存在非零项的问题;其次基于目标路径参考点建立坐标系,在视线法中引入跟踪误差函数,使视线法导向角跟随曲线路径自适应调整;然后针对系统的欠驱动特性,以目标路径切线方向速度作为虚拟控制输入,基于反步法和拉塞尔不变原理以及李亚普诺夫稳定性理论,设计了无人艇全局渐近稳定的路径跟踪控制器;最后通过仿真试验验证了所提出方法和所设计控制器的有效性和可靠性。

基于无人船平台的“陆海空天”一体化海事智慧监管系统应用研究

近年来,随着信息技术与人工智能的快速发展,无人船舶智能化水平不断提高,无人船在海事监管工作中的应用逐渐进入探索阶段。为响应交通运输部海事局提出的“陆海空天”一体化水上交通运输安全保障体系战略部署,以无人船为核心平台,提出一种融合“陆海空天”智慧监管手段的一体化系统架构,详细阐述该系统各模块的具体功能及实现方案,探讨其在海事监管工作中的应用场景及优势。

基于物联网的无人水面艇航行状态监测系统设计

针对无人水面艇(Unmanned Surface Vessel,USV)航行状态监测及试航性能评估试验中的参数获取问题,设计一套USV航行状态监测系统。以物联网(Internet of Things,IoT)3层架构为基础,设计小尺寸、低功耗的监测方案。以多源传感器和STM32微控制器作为感知层,以远距离无线电(Long Range Radio,LoRa)网关及LoRa终端作为数据远程传输途径,以传输控制协议(TCP)作为数据远程传输协议,以云平台作为系统应用层,实现数据采集、传输和应用功能。基于监测系统要求,在应用层设置阈值实现航行状态预警功能。对系统功能及性能进行测试,结果表明,系统横、纵摇精度为±0.02°RMS,风速为(0.2±0.03)m/s,风向为±2.5°,所有监测参数技术指标均符合要求,且丢包率在通信距离小于1.4 km时为1.5%,较传统方法降低约22%。该系统可为进一步完善USV航行状态监测提供技术支持。

基于自适应专家S面算法的微小型USV控制系统设计

研究一类微小型水面无人艇(unmanned surface vessel,USV)的运动控制系统设计问题,提出了一种自适应专家S面运动控制算法。首先,基于STM32-ARM核心板设计了一类微小型无人艇的运动控制系统,基于Labwindows/CVI软件开发了上位机监控系统;其次,充分融合专家系统和S面控制算法的优势,提出了一种自适应专家S面运动控制算法,用于微小型无人艇的航速和航向控制;最后以所研制的"神龙号"微小型无人艇为载体,通过大量的水池试验和外场试验,验证了所设计和开发的运动控制系统的有效性和可靠性;同时通过对比试验,体现出了所提出的自适应专家S面控制算法在无人艇航向和航速控制方面的优越性。

基于粒子群优化算法的USV集群协同避碰方法

针对无人水面艇(unmanned surface vessel,USV)集群在路径规划中的协同避碰问题,提出了基于滚动优化策略结合粒子群优化算法的USV集群协同避碰方法。首先,通过已有雷达、光电等传感器参数指标建立综合视域模型;其次,采取基于正切函数的惯性权重调整结合线性调整学习因子的方法来提高粒子群优化算法的全局搜索能力,同时,在适应度函数中加入转艏角控制来提高路径的平滑性;最后,利用改进后的粒子群优化算法规划出每个综合视域内的路径。仿真实验结果表明,该优化算法能实现USV集群的实时避碰,并快速为USV集群规划出平滑、安全的全局最优无避碰路径。

基于故障树-贝叶斯网络的水面无人艇远程控制系统可靠性分析

水面无人艇(USV)远程控制系统的可靠性,直接影响到USV航行安全.文中建立基于故障树与贝叶斯网络相结合的可靠性评估模型.基于USV远程控制系统各设备之间的故障关系构造相应的故障树模型;将远程控制系统故障树映射成贝叶斯网络,利用所构建的贝叶斯网络模型进行评估分析.通过实例分析表明:该模型可实现对故障的反向推理,找出影响系统可靠性的主要因素,计算出系统的可靠性.

基于改进动态窗口法的内河无人水面艇避碰算法设计

针对内河拥挤水域无人水面艇(USV)多船自主避碰问题,提出一种基于改进动态窗口算法的USV动态避碰方法。简化障碍物预测轨迹,提升算法的避碰效率;结合《中华人民共和国内河避碰规则》,引入新的规则评价函数,并建立USV的避碰动作、避让角度和复航时机模型。通过机器人操作系统(ROS)和Gazebo仿真试验验证该方法的可行性和有效性。仿真结果表明,该避碰方法具有一定的实用意义。

基于改进粒子群算法的海流环境下无人水面艇路径规划

针对海流环境下无人水面艇(unmanned surface vessel,USV)的多目标路径规划问题,构建USV的多目标路径规划模型,并提出一种改进的粒子群(particle swarm optimization,PSO)算法。采用自适应惯性权重来平衡算法的全局和局部搜索能力,避免算法过早收敛;引入精英反向学习策略提升算法跳出局部最优解的能力。仿真结果表明,改进的算法具有更好的寻优能力和鲁棒性,能够有效解决海流环境下USV的路径规划问题。

无人艇海上搜救路径规划技术综述

针对无人艇海上搜救路径规划问题,从海上搜救区域的最优确定和海上搜寻方案的最优规划2个层面概括确定海上搜寻区域的方法,并分析其技术内涵与应用情况;介绍包括传统方法和区域覆盖算法等的各类搜寻方法,并深入分析其特点与不足;对无人艇海上搜救路径规划存在的问题及应对措施进行分析和展望。研究成果可为无人艇海上搜救路径规划技术的进一步探讨提供借鉴。

因子图框架下无人艇主从式协同导航算法

针对无人艇(USV)协同导航存在非线性量测和滞后信息的问题,提出一种基于因子图优化的无人艇主从式协同导航算法:对艇间测距信息进行因子建模,以捷联惯性导航系统(SINS)为核心构建从艇因子图框架;然后针对因子图优化算法计算量大难以实时融合的问题,借助滑动窗限制待优化节点数并利用增量平滑进行窗内变量更新;最后将滞后信息对应因子节点连接至因子图中历史时刻变量节点,实现对于滞后量测免补偿使用。仿真结果表明,所提方法在信息滞后小于1s时可获得与无滞后情况下大致相当的精度;以时长15s的滑窗为例,所提算法较传统滑动窗优化单步运行时间减少约91%,具有可实时实现的优点。半物理实验结果亦验证了所提方案的可靠性。

无人艇工程控制课程实践教学平台开发

针对在教学环节中存在的问题,利用计算机技术和工业软件开发无人艇工程控制课程实践教学平台。该平台可进行无人水面艇(Unmanned Surface Vessel,USV)建模及运动轨迹控制。针对USV物理参数的不确定性,根据运动学和动力学模型设计控制器,分析控制器参数对USV运动性能的影响规律。无人艇工程控制课程实践教学平台的建设应用可提升学生对USV的运动操控、故障判断及维护保养能力。

基于单目视觉的水面浮标位置检测

为提高无人水面艇(unmanned surface vessel,USV)在航行过程中对水面浮标位置检测的准确度,提出一种应用于USV的基于单目视觉的水面浮标位置检测方法。该方法通过建立浮标与USV之间的三维场景模型,依据相机成像原理得到浮标投影图像并计算投影面积;利用获取的面积和距离数据,建立面积与距离的关系模型进行距离估计;根据浮标与USV的位置关系估计浮标相对于USV的方位角;根据所估计的距离和方位角计算浮标的位置。通过仿真实验分析浮标旋转角度和观测方位对测距精度的影响,通过实船实验验证方法的可行性。由实验结果可知,在50 m距离内位置检测的平均相对误差小于3.0%,表明本研究所提出的基于单目视觉的水面浮标位置检测方法具有一定的实用性。

多无人艇协同围捕算法设计与仿真

为了实现对水面目标进行围捕的功能,提出了一种基于多无人艇的协同围捕算法。算法根据围捕无人艇的数量分配不同的目标相位,把整个围捕过程划分为编队前行、实施包围和靠近合拢三个阶段进行全局路径规划。算法设计简单实用,支持任意数量的围捕无人艇,路径节点数可调整,速度计算简单,具有防碰撞的特点。仿真实验验证了该算法的有效性。

小型无人艇用混合动力系统设计应用

提出一种结构紧凑、布置方便且适合小型无人艇配置的并联式混合动力系统,具有功率输出和功率输入等2种工作模式。通过电控-液压系统控制离合器和混合动力单元来实现柴油机推进与电机推进间的自由切换,可发挥2种动力推进的综合优势,具有操作性好、动力切换灵活、经济高效等优点。

水面无人艇避碰方法回顾与展望

水面无人艇因其具有体积小、速度快、较好的隐身性、较高的智能化等特点被世界各国广泛应用.随着其应用价值的不断提高,水面无人艇日益成为国内外研究的焦点.避碰技术作为水面无人艇的核心技术之一,是实现无人艇安全航行正常执行任务的重要前提.针对水面无人艇的避碰问题,从水面无人艇全局路径规划和局部避碰的角度,分别阐述了国内外主要研究成果,并且总结了水面无人艇避碰方法目前存在的一些问题,同时对未来的研究方向进行了展望.