基于观测器的具外部扰动的离散时间系统的滑模控制

针对一类具有配外部扰动的多输入多输出(MIMO)离散时间系统(DTS),提出了改进的状态观测器的设计方案,使得该观测器不受外部扰动的影响。对外部扰动满足匹配条件的MIMO-DTS,提出了基于状态观测器和扰动估计器的滑模控制器设计方案,该设计方案不要求知道系统的状态和外部扰动的上界。提出的仿真例子说明了本文方法的可行性和有效性。     

基于非线性干扰观测器的UUV反演滑模深度控制

针对水下无人航行器（UUV）在浅水海洋环境下的悬停作业需求,提出一种基于非线性干扰观测器的 UUV 反演滑模深度控制算法。首先,根据全驱动 UUV 的悬停运动特性,建立五自由度及解耦的垂荡通道动力学模型。然后,采用非线性干扰观测器（NDO）对时变海浪扰动与模型的不确定进行有效估计,并证明了 NDO 的指数收敛特性。根据 UUV 的标称模型及 NDO 对扰动状态的估计,采用反演思路,设计了反演滑模控制器。通过引入双曲正切函数取代不连续切换函数,改进滑模趋近律,进而降低滑模的抖振效应。根据 Lyapunov 理论证明了系统的稳定性。最后,通过仿真实验验证了该控制算法的有效性与优越性。     

基于改进Super-Twisting滑模与干扰观测器AUV控制方法

以X 舵智能水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)为研究对象,提出了一种改进 Super-Twisting 滑模与非线性干扰观测器结合的 AUV 控制方法。首先,对 AUV 进行了运动学、动力学以及 X 舵分配进行了建模;之后,按照 Super-Twisting 理论设计了 AUV 控制器;然后,考虑到原算法中符号函数引起的控制输出抖振现象,提出了基于 Sigmoid 函数的改进 Super-Twisting 控制器,考虑到未建模动态以及外部环境干扰,设计了非线性干扰观测器对集总干扰进行补偿;最后,通过仿真验证了所提控制器的有效性。仿真表明,在干扰影响条件下,所提方法能够在大幅降低输出抖振并保证良好的控制精度。     

离散广义准滑模控制基于扰动补偿趋近律

研究了一类非匹配不确定离散广义系统的准滑模控制问题。给出了带有扰动补偿的离散广义趋近律,消除了常规滑模控制中不确定项必须有界的限制,且不必满足匹配条件。所设计的滑模控制在有限时间内可达切换面,减小了准滑动模态带宽,有效地削弱了系统抖振,改善了系统动态品质。数值算例验证了该方法的可行性与有效性。     

基于无人船的水质监测及控制系统设计

针对执行水质监测任务过程中固定浮标监测站单点监测存在局限性、船载观测人员取样耗时耗力等问题,本文设计了一种搭载多点、分层自动采水取样装置的智能无人船水质监测系统,可实现目标水域的多点、分层连续水质数据测量及取样。该智能无人船具备基于快速随机树(Rapid Random Tree)算法的自主避障和快速路径规划功能,解决了现有无人船技术存在的多障碍自主路径规划难等问题。同时,本设计结合了ARM9控制芯片、M5310无线传输模块,通过可视化的显示界面和远程WEB访问的功能,大大提升了科研人员及时处理特殊情况便捷性。通过实验测试及比对分析,证明本设计具有智能高效、稳定可靠等优点,能够满足职能部门对于水质监测工作的需要。     

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。     

结合速度障碍法的无人艇编队控制策略研究

在实际的工程运用中,领航者–跟随者算法无法解决无人艇在编队形成过程中的相互碰撞问题,往往需要提前确定编队初始状态,避免编队无人艇之间的相互碰撞。针对该缺陷,将速度障碍法引入领航者–跟随者算法,并将威胁评价引入速度障碍法中,以解决无人艇在编队过程中的相互碰撞问题。建立了无人艇的运动仿真平台,并对提出的无人艇编队控制策略进行了仿真试验。试验表明：该算法提高了编队控制的稳定性,降低了编队形成过程中的碰撞风险。     

基于无人船的大洋中尺度涡观测系统展望

中尺度涡在大洋中普遍存在,研究发现其能量比大尺度海洋环流的能量大一个量级,在海洋物质能量输运和全球气候变化中起着重要的作用。受观测条件限制,目前对中尺度涡的观测主要通过卫星高度计实现,只能从海面高度来推算中尺度涡大小、分布、强度及其伴随的水体和能量输送,而卫星高度计对中尺度涡垂直结构特征认识不足,也导致了对中尺度涡所引起的上层海洋能量、热量输送估计误差偏大。目前对中尺度涡三维结构观测认识不足,展望未来将会出现基于无人船平台的大洋中尺度涡三维结构自动观测系统,该平台将集成自动水下剖面观测功能等先进技术,以便观测中尺度涡的垂直结构特征及其时空变化特征,进而可对中尺度涡带来的物质和能量输送进行系统认识。     

基于无人机和无人船的岛礁地形测绘技术

无人岛礁及其周边环境复杂、基准不一,对其进行高精度测绘存在诸多困难。介绍了一种基于无人机和无人船的测绘系统,融合大地测量、无人机航空遥感、无人船水下测绘等多源观测技术获取无人岛礁一体化测绘成果。并在广东省珠海市的三角岛进行实地测量,获取了海岛水上水下一体的三维点云、等值线、DOM等数据,陆上成果精度达厘米级,水深测量成果符合相关规范要求,该成果可广泛应用于海洋、国土、测绘、规划、建设等领域,有助于解决无人岛礁缺乏控制点造成的数据精度低、各部门需求数据多次采集耗时费力等问题。实践证明该技术具有一定的工程意义。     

基于t-积的张量奇异值扰动分析

Kilmer等提出了一种新的张量乘积t-积,基于该乘积,各种线性代数工具的高维推广已经被验证,其中包括张量奇异值分解、张量特征值定义及有关性质不等式等。基于此对张量的奇异值进行有关分析是有意义的。本文将对Lu等定义的基于t-积的张量奇异值进行扰动分析。首先,给出了张量奇异值的柯西交错定理。然后,将Mirsky提出的关于两个矩阵奇异值差的不等式推广到张量情况下。最后,证明了张量积和张量和的奇异值的一些有用的不等式。     

基于视觉定位的水下机器人无通信高精度编队技术研究

水下机器人集群技术是目前水下机器人技术领域的发展热点之一。针对以往基于通信的水下机器人编队存在的编队精度低、队形保持困难等问题,提出了基于水下矢量光图案及视觉定位的水下集群编队方法,并通过水池试验分别验证了视觉定位以及水下密集编队的功能和相关指标。试验结果表明：水下视觉定位能够达到不大于3%的定位精度和不小于2Hz的定位频率,能够为水下机器人自主航行提供准确连续的控制输入。基于视觉定位的水下集群能够实现相互距离10 m以内的密集编队,编队精度不大于10%,较以往基于通信的编队方法有较大提升。     

Fuzzy logic for depth control of Unmanned Undersea Vehicles

Fuzzy logic is a viable control strategy for depth control of undersea vehicles. It has been applied to the low speed ballast control problem for ARPA's Unmanned Undersea Vehicle (UUV), designed and built by Draper Laboratory. A fuzzy logic controller has been designed and tested in simulation that issues pump commands to effect changes in the UUV depth, while also regulating the pitch angle of the vehicle. The fuzzy logic controller performs comparably to the current ballast control design. The controller is also less sensitive to variations in the vehicle configuration and dynamics. The benefits of the fuzzy logic approach for this problem are: 1) simplicity, by not requiring a dynamic model, thus allowing for rapid development of a working design and less sensitivity to plant variations; 2) better matching of the control strategy and complexity with performance objectives and limitations; 3) the insight provided and easy modification of the controller, through the use of linguistic rules     

无人艇载多波束组网测量系统

为了提高传统多波束测量的效率,开展无人艇载多波束组网测绘系统总体设计以及测绘/航行一体化、组网拼接、伴随控制等关键技术的研究。试验表明,该测量系统中两艘无人艇可伴随母船航行以及多波束设备实现了组网测量,测量效率提高二倍,数据精度符合相关规范。本文所实现的测量系统极大地提高了水深测量数据快速获取的能力,所研究得到的航行/测量一体化技术对于测绘无人艇的开发具有参考意义,所提出的组网测量作业方式对海洋测量、调查作业有着借鉴和启发意义。     

无人船监测与测量技术进展

为了促进无人船技术得到快速发展,较系统地综述了无人船监测与测量的基本原理、主要性能和典型应用,同时对无人船的船身结构、动力系统、测量载荷等硬件设备以及数据处理、岸基控制等软件系统做了较为详细的阐述。最后对当前无人船测量技术发展中存在的难题进行了深入分析与探讨,以期我国的无人船监测与测量技术能够得到较为迅速的发展并得到广泛的应用,满足社会发展的需要。     

Path Planning Method Based on D~* lite Algorithm for Unmanned Surface Vehicles in Complex Environments

In recent decades, path planning for unmanned surface vehicles(USVs) in complex environments, such as harbours and coastlines, has become an important concern. The existing algorithms for real-time path planning for USVs are either too slow at replanning or unreliable in changing environments with multiple dynamic obstacles. In this study,we developed a novel path planning method based on the D* lite algorithm for real-time path planning of USVs in complex environments. The proposed method has the following advantages:(1) the computational time for replanning is reduced significantly owing to the use of an incremental algorithm and a new method for modelling dynamic obstacles;(2) a constrained artificial potential field method is employed to enhance the safety of the planned paths; and(3) the method is practical in terms of vehicle performance. The performance of the proposed method was evaluated through simulations and compared with those of existing algorithms. The simulation results confirmed the efficiency of the method for real-time path planning of USVs in complex environments.     

基于改进遗传算法的无人水下航行器路径规划

针对无人水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle,AUV）运动约束多,传统遗传算法的路径寻优效率低、收敛速度慢等问题,提出了一种改进遗传算法的 AUV 路径规划方法。该算法选用栅格法构建环境,使用路径长度、平滑度和危险区域作为评价函数。改进遗传算法种群初始化过程,引入周围点栅格提高收敛速度,同时结合灾变思想避免群体陷入局部最优解。该算法根据 AUV 最大转角的约束条件,设计了 AUV 平滑过程和删除过程,避免了 AUV 航行出现急停急转。仿真及湖上试验结果表明：改进遗传算法相比传统遗传算法,路径长度减少 11.4%,收敛速度加快 20.0%,且收敛路径满足 AUV 航行约束要求。