无人船自适应路径跟踪控制系统
发布时间：2021-04-14 19:01
环境干扰下如何实现精确、可靠路径跟踪控制是目前无人水面船（无人船）自主航行的关键和难点问题。从无人船路径跟踪控制的算法设计、系统实现和试验验证等三个层面开展研究:在算法设计层面,提出了考虑水流干扰条件下的自适应视距（Line-of-sight,LOS）制导算法以及基于LEM（Line-of-sight&extendedstateobserver&modelpredictive control,视距-扩张状态观测器-模型预测控制）的自适应路径跟踪控制方法;在系统实现层面,设计了无人船路径跟踪控制系统架构,并解决了MPC快速求解、系统状态采集与不可测状态观测问题;在试验验证层面,构建了在室外水池环境下的模型船路径跟踪控制试验平台,并在此平台上完成了MPC与比例-积分-微分（Proportional-integral-derivative,PID）路径跟踪控制对比试验,以及基于LEM与基于传统LOS的MPC路径跟踪控制（Traditional LOS&MPC,TLM）对比试验。试验结果表明,构建的无人船路径跟踪控制系统运行稳定可靠,提出的LEM自适应路径跟踪控制方法具...
【文章来源】：机械工程学报. 2020,56(08)北大核心EICSCD
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
响应型模型坐标和运动参数定义(surge)(sway)
T(6)1.2自适应视距制导算法由于响应模型式(4)描述的是输入舵令与输出船首向之间的关系，因此需要将路径跟踪控制中对路径的跟踪转换为对船首向的跟踪。视距制导具有目标跟踪精确、计算简便等优势，在导弹拦截跟踪控制、水下航行器和船舶路径跟踪控制领域应用较广[17]。1.2.1自适应接纳圆的提出在路径跟踪中，假定目标路径点(,)nnnPxy、111(,)nnnPxy和222(,)nnnPxy已经给出，则目标路径为111222(,)(,)(,)nnnnnnnnnPxyPxyPxy。LOS制导基本原理如图2所示。图2视距制导算法原理路径跟踪控制的目标是使船首向与方向bLOSOP保持一致。确定LOS点LOSLOSLOSP(x,y)的方式为：以bO为圆心、LOSRnL(n1)(L为船长)为半径的圆弧与目标路径nn1PP交点中距离下一路径目标点n2P更近的一个交点作为LOSP。计算LOSP的公式如下222LOSbLOSbLOSLOSb1LOSb1()()nnnnxxyyRyyyyxxxxLOSR定义如下LOS3||3||3LeLReLeL≤式中，e为横向跟踪误差。船舶在跟踪路径nn1PP的过程中，当船舶趋近目标点n1P时，目标路径需要由nn1PP切换至n1n2PP。通常当船舶进入以n1P为圆心0R为半径的接纳圆内，即2b1()nxy22b10()nyyR≤时，开始进行目标路径切换。当船舶刚进入接纳圆时，LOS角LOS和相对首向角会发生突变，导致船舶不可避免地偏离目标路径。当相邻路径夹角(0,π2)较小时，船舶需要更早地转向以有充分的时间调整航向，此时如果接纳圆半径0
)。图6系统状态采集原理3试验验证3.1模型船试验平台为验证本文提出的无人船自适应路径跟踪控制系统在真实场景下的控制效果和可靠性，在室外水池环境构建了基于模型船的路径跟踪控制系统试验平台。为满足系统需要，在模型船船体上安装了工控机(运行控制程序)、无线通信设备、锂电池、驱动电路板(执行控制命令)、电机、螺旋桨、舵机、角度传感器、差分GPS接收机(室外获取精确位置)、超声波传感器(避碰)、定位标志灯(室内获取精确位置)等设备，具体如图7所示。该模型船具备了远程控制、自主路径跟踪控制、应急避碰、实时数据查看等功能。在室外水池环境下的试验平台如图8所示。远程监控计算机通过无线WiFi网络可以实时操控模型船并获取模型船运动状态。图9为自主研发的无人船路径跟踪控制系统程序界面，具有系统和控制参数设置、系统状态和路径跟踪结果实时查看、数据保存、远程操控船舶等功能。
【参考文献】：
期刊论文
[1]混合动力汽车非线性模型预测巡航控制[J]. 罗禹贡,陈涛,李克强. 机械工程学报. 2015(16)
[2]USV发展现状及展望[J]. 柳晨光,初秀民,吴青,王桂冲. 中国造船. 2014(04)
[3]船舶自动舵控制技术的发展[J]. 陈雪丽,程启明. 南京化工大学学报(自然科学版). 2001(04)
[4]非线性控制理论在电力系统中应用综述[J]. 吴青华,蒋林. 电力系统自动化. 2001(03)
[5]具有约束条件的船舶运动预测控制[J]. 胡耀华,贾欣乐. 控制理论与应用. 2000(04)
博士论文
[1]基于预测控制的无人船运动控制方法研究[D]. 柳晨光.武汉理工大学 2017
[2]基于船舶操纵性试验分析的辨识建模研究[D]. 张心光.上海交通大学 2012
[3]基于支持向量机方法的船舶操纵运动建模研究[D]. 罗伟林.上海交通大学 2009
硕士论文
[1]水面无人船轨迹跟踪控制方法研究[D]. 牟鹏程.哈尔滨工程大学 2013
本文编号：3137846
【文章来源】：机械工程学报. 2020,56(08)北大核心EICSCD
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
响应型模型坐标和运动参数定义(surge)(sway)
T(6)1.2自适应视距制导算法由于响应模型式(4)描述的是输入舵令与输出船首向之间的关系，因此需要将路径跟踪控制中对路径的跟踪转换为对船首向的跟踪。视距制导具有目标跟踪精确、计算简便等优势，在导弹拦截跟踪控制、水下航行器和船舶路径跟踪控制领域应用较广[17]。1.2.1自适应接纳圆的提出在路径跟踪中，假定目标路径点(,)nnnPxy、111(,)nnnPxy和222(,)nnnPxy已经给出，则目标路径为111222(,)(,)(,)nnnnnnnnnPxyPxyPxy。LOS制导基本原理如图2所示。图2视距制导算法原理路径跟踪控制的目标是使船首向与方向bLOSOP保持一致。确定LOS点LOSLOSLOSP(x,y)的方式为：以bO为圆心、LOSRnL(n1)(L为船长)为半径的圆弧与目标路径nn1PP交点中距离下一路径目标点n2P更近的一个交点作为LOSP。计算LOSP的公式如下222LOSbLOSbLOSLOSb1LOSb1()()nnnnxxyyRyyyyxxxxLOSR定义如下LOS3||3||3LeLReLeL≤式中，e为横向跟踪误差。船舶在跟踪路径nn1PP的过程中，当船舶趋近目标点n1P时，目标路径需要由nn1PP切换至n1n2PP。通常当船舶进入以n1P为圆心0R为半径的接纳圆内，即2b1()nxy22b10()nyyR≤时，开始进行目标路径切换。当船舶刚进入接纳圆时，LOS角LOS和相对首向角会发生突变，导致船舶不可避免地偏离目标路径。当相邻路径夹角(0,π2)较小时，船舶需要更早地转向以有充分的时间调整航向，此时如果接纳圆半径0
)。图6系统状态采集原理3试验验证3.1模型船试验平台为验证本文提出的无人船自适应路径跟踪控制系统在真实场景下的控制效果和可靠性，在室外水池环境构建了基于模型船的路径跟踪控制系统试验平台。为满足系统需要，在模型船船体上安装了工控机(运行控制程序)、无线通信设备、锂电池、驱动电路板(执行控制命令)、电机、螺旋桨、舵机、角度传感器、差分GPS接收机(室外获取精确位置)、超声波传感器(避碰)、定位标志灯(室内获取精确位置)等设备，具体如图7所示。该模型船具备了远程控制、自主路径跟踪控制、应急避碰、实时数据查看等功能。在室外水池环境下的试验平台如图8所示。远程监控计算机通过无线WiFi网络可以实时操控模型船并获取模型船运动状态。图9为自主研发的无人船路径跟踪控制系统程序界面，具有系统和控制参数设置、系统状态和路径跟踪结果实时查看、数据保存、远程操控船舶等功能。
【参考文献】：
期刊论文
[1]混合动力汽车非线性模型预测巡航控制[J]. 罗禹贡,陈涛,李克强. 机械工程学报. 2015(16)
[2]USV发展现状及展望[J]. 柳晨光,初秀民,吴青,王桂冲. 中国造船. 2014(04)
[3]船舶自动舵控制技术的发展[J]. 陈雪丽,程启明. 南京化工大学学报(自然科学版). 2001(04)
[4]非线性控制理论在电力系统中应用综述[J]. 吴青华,蒋林. 电力系统自动化. 2001(03)
[5]具有约束条件的船舶运动预测控制[J]. 胡耀华,贾欣乐. 控制理论与应用. 2000(04)
博士论文
[1]基于预测控制的无人船运动控制方法研究[D]. 柳晨光.武汉理工大学 2017
[2]基于船舶操纵性试验分析的辨识建模研究[D]. 张心光.上海交通大学 2012
[3]基于支持向量机方法的船舶操纵运动建模研究[D]. 罗伟林.上海交通大学 2009
硕士论文
[1]水面无人船轨迹跟踪控制方法研究[D]. 牟鹏程.哈尔滨工程大学 2013
本文编号：3137846
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/chuanbolw/3137846.html
