摘要：针对混合主动交互的水面无人艇(USV)系统体系结构设计问题,提出一种基于智能体的可变自主系统体系结构模型(MAAF).该模型分为USV可变自主部分、系统用户分析部分以及系统交互推理部分的设计和实现,并采用Agent信念-愿望-意图模型建立系统用户和USV的交互推理过程.最后,利用仿真实验验证,结果表明该系统结构模型满足混合主动交互和分布式与分层式相结合的决策要求,并且合理有效.

摘要：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。

摘要：高速水面无人艇操纵性预报精度取决于其运动模型中的参数获取精度,针对传统扩展卡尔曼滤波算法难以获取较高精度的模型参数问题,提出一种采用极大似然法辨识获取无人艇操纵运动2阶非线性响应模型参数的方法。基于某无人艇响应模型参数进行20°Z形仿真实验,采集艏向角和舵角变化数据,根据辨识原理与前向差分法设计一种极大似然辨识方法,通过辨识获取了模型参数。进一步研究发现在极大似然法辨识过程中部分参数有参数漂移现象产生,分析得到参数漂移产生的原因在于使用差分法处理Z形实验数据时忽略了舵角变化率的影响。采用正弦仿真实验数据结合极大似然法进行改进辨识研究,其舵角变化率可直接对舵角求导得到。针对极大似然法与扩展卡尔曼滤波算法的辨识结果展开操纵运动仿真实验。实验结果表明:通过极大似然法辨识获取的参数比传统卡尔曼滤波算法能更精确地预报无人艇的操纵运动,且基于正弦仿真实验数据辨识能有效解决极大似然法的参数漂移,从而为极大似然法辨识结果提供更高的精度。

摘要：针对无人艇航速高及实时性要求高的特点,为满足路径规划需要,在经典快速扩展随机树(RRT)算法的基础上,设计一种基于改进RRT算法的局部路径规划方法,引入抑制因子、限定转角和距离启发信息,改进生长点和探索点的选择,提高了算法速度.为兼顾航行距离最短和无人艇操控性能的特殊要求,对规划路径采取多余航点处理以及考虑回转性能的平滑处理.以海上和湖上典型雷达图像的处理结果为环境模型,进行局部路径规划试验.试验结果表明:该方法可以快速完成路径搜索,在提高搜索效率的同时缩短了规划距离,优化处理后的航线更适用于无人艇的跟踪,满足无人艇规划系统的要求.

摘要：针对水面无人艇(unmanned surface vehicle,USV)在具有不确定性的实际任务形势下实现可变自主的问题,提出一种包含可变自主控制结构和自主等级决策算法的解决方案。可变自主控制结构中考虑了自主等级的划分、自主等级的评价和管理,并设计了基于多属性决策方法的自主等级决策算法。最后在USV导航任务为背景的仿真实验中,证明了可变自主系统控制结构和自主等级决策算法是合理的和有效的,同时显示了可变自主系统研究的实际意义及其对于系统规划性能的提高作用。

摘要：针对细菌觅食优化算法(BFO)解决水面无人艇路径规划存在的易于陷入局部最优的问题,提出了一种混合模拟退火机制的BFO算法.该算法保留BFO算法的三层嵌套结构,将模拟退火机制引入到BFO算法的迁移操作中,计算更新前后的迁移个体的适值度,并以Metropolis准则接受新解,使BFO算法能更好地从局部极值中跳出.按驱动形式对动态障碍物进行分类,并结合COLREGS规则设计水面无人艇产生对遇、交叉和追越三种情况的避碰策略.仿真结果表明:提出的算法收敛速度快、求解质量高,不仅可以成功地避让静态障碍物,还能高效地规划局部路径.

摘要：针对存在时滞现象的水面无人艇编队队形控制及变换问题,本文在考虑了模型不确定性和存在未知扰动的情况下,采用自抗扰控制技术对无人艇的航向和航速设计了一种编队控制器。对于控制器执行机构存在的时滞现象,考虑在传统自抗扰扩张状态观测器的信号输入端增加延迟模块,解决了由输入延迟所引起的控制器震荡问题。仿真结果表明:在存在外界风流干扰的情况下,该控制器可以有效地控制水面无人艇使其能够按照预期的编队队形航行,并能够根据要求进行相应的队形变换,与传统的PID控制相比具有更好的鲁棒性和抗干扰能力。

摘要：[目的]针对水面无人艇(USV)编队轨迹跟踪中存在的未知扰动和队形变化问题,提出一种基于有限时间扰动观测器的最优反步控制(FDO-OBC)方法。[方法]首先,基于虚拟结构法,建立无人艇编队控制框架,并设计运动学和动力学编队控制器;其次,设计有限时间扰动观测器,实时估计补偿未知环境扰动;然后,针对编队队形变化的轨迹跟踪问题,提出基于最优反步控制的动态轨迹优化策略,利用扰动观测器信息来计算最优控制输入,实现无人艇编队轨迹跟踪的动态优化;最后,采用李雅普诺夫稳定性理论证明该编队控制方法的稳定性。[结果]仿真对比结果表明,FDO-OBC策略可有效提高无人艇编队系统的精确性和鲁棒性。[结论]对于面向扰动环境下的无人艇编队控制系统设计,FDO-OBC方法提供了一种新的技术手段。

摘要：随着海洋经济的迅猛发展,水面无人艇(Unmanned Surface Vehicle,USV)的重要性更加显著。由于无人艇本身具有非线性不确定性和欠驱动的特点,在航行过程中易受到风、浪等环境因素的干扰,使得未知扰动下USV的路径跟踪控制问题非常困难。将无人艇路径跟踪控制分解为对USV航向的控制和导引策略的设计两个问题。首先采用由粒子群算法改进的灰狼算法(PSO-GWO)对自抗扰航向控制器的相关参数进行在线整定,降低了传统自抗扰控制器参数调整的复杂度;再设计LOS导引策略计算期望航向角,实现对USV的路径跟踪控制。经Matlab仿真实验验证,所设计的系统能实现对航向角的快速稳定跟踪,具有很强抗干扰能力;USV在给定航行速度下能以较短路径到达期望的直线路径和曲线路径,跟踪精度高。

摘要：为解决水面无人艇(unmanned surface vehicle,USV)如何稳定地跟踪任意给定轨迹的问题,设计了一种基于准无限时域模型预测控制(model predictive control,MPC)的轨迹跟踪控制器.基于USV三自由度动力学状态空间模型,对模型近似线性化和离散化处理,以便于设计控制器.为保证控制器系统的稳定性,应用准无限时域模型预测控制理论,设计了一种终端惩罚函数,将其融入到线性模型预测控制方法中,提出了一种USV准无限时域轨迹跟踪的模型预测控制器.通过理论证明了所设计控制器的稳定性.并在仿真平台上进行直线轨迹、正弦曲线轨迹仿真,验证了所设计控制器的适用性、稳定性.