多无人水面勘探船编队控制方法研究
这是一篇关于无人水面勘探船,路径跟踪,编队控制,模糊逻辑,有限时间控制的论文, 主要内容为海洋蕴含丰富的油气资源和矿产资源,可解决人类面临的资源匮乏问题。伴随全球工业技术的飞速提高,人们对海洋的探索成为具有实际意义的重要课题。无人水面勘探船是海洋油气勘探的专用船舶,在资源勘探中享有不可或缺的地位。多无人水面勘探船联合作业可以有效避免单无人水面勘探船在执行任务时带来的载荷低、作业效率低、容错性差等缺陷。欠驱动无人水面勘探船的运动控制研究具有更强的挑战。本文主要研究内容如下:(1)针对模型不确定、未知时变海流、未知时变环境干扰、输入饱和的欠驱动无人水面勘探船,设计了基于改进视线法(Line-of-sight,LOS)制导律(Finite-time Predictor Adaptive Integral LOS,FPAILOS)的有限时间动态面路径跟踪控制策略。考虑未知时变漂角和时变海流,通过结合自适应和预估器技术,设计了基于预估器的有限时间视线制导律(FPAILOS),实现了快速地补偿时变海流对无人水面勘探船路径跟踪造成的误差,提高了路径跟踪控制的精确性。采用有限时间动态面控制方案,设计了基于改进模糊逻辑的纵向推力控制律和艏向转矩控制律,实现了无人水面勘探船对期望路径的跟踪。针对模型不确定和未知时变外部干扰,设计了基于低频学习的有限时间模糊逻辑估计器,实现了对时变扰动和模型不确定项的有效补偿。为解决输入饱和问题,引入有限时间辅助动态系统方法,实现了控制系统的有限时间收敛。通过Lyapunov稳定性理论可以证明所提出的控制方案可使路径跟踪误差在有限时间内收敛到零附近的任意小范围内。(2)在单艘无人水面勘探船路径跟踪的基础上,对多无人水面勘探船编队控制进行了研究。采用领航-跟随控制策略,领航船延一条参数化路径移动,跟随船与领航船以期望的距离和角度同步运动,共同完成编队作业任务。该编队策略具有设计简单、适用范围广等优势。考虑领航者与跟随者之间的编队误差受限问题,引入了时变障碍Lyapunov函数(Time-varying Barrier Lyapunov Function,TBLF),实现了将编队距离误差限制在规定范围内。采用反步法,设计出纵向速度控制律和艏向角速度控制律,实现了领航船与跟随船的编队控制。考虑对虚拟控制律求导会增加计算量,引入了动态面技术减少计算量,避免造成“参数爆炸”。引入自适应模糊逻辑系统估计模型不确定项。考虑输入受限,采用辅助系统消除输入饱和值对控制品质的影响。通过Lyapunov理论可以证明整个闭环系统的信号满足一致最终有界。(3)考虑模型不确定、执行器饱和、未知时变环境干扰,在单艘无人水面勘探船路径跟踪的基础上,研究了多无人水面勘探船事件触发协同编队控制问题。根据领航者的位置信息,通过有限时间理论与动态面技术结合,设计了编队控制器的艏向转矩控制律和纵向推力控制律,实现了跟随者与领航者以固定的距离和角度执行编队任务。考虑执行器饱和现象,应用有限时间辅助系统补偿执行器饱和,实现控制系统的快速收敛。结合预估器技术和模糊逻辑系统,提出了新型的基于有限时间的预估器模糊逻辑,实现了对不确定模型以及未知时变环境干扰的估计,该方案具有待设计参数少、瞬态性能好、收敛速度快的优势。最后,引入了固定阈值事件触发和时变阈值触发机制,极大地降低了控制器的更新频率和机械损耗。采用Lyapunov稳定性理论分析,证明编队距离误差和角度误差在有限时间内可以收敛到零附近的任意小范围内。
半挂车自主泊车路径规划及控制策略研究
这是一篇关于半挂车,自主泊车,路径规划,路径跟踪,泊车起始区域的论文, 主要内容为随着社会经济稳定发展,电商平台消费的蓬勃发展和进出口贸易,带动了交通运输业的发展。牵引车半挂车因其具有运输量大、成本低、在运输上效率高的优势,在经济消费、货物运输等方面发挥了巨大的作用。然而其在倒车时视野受限,操作与平时驾车习惯相反,容易出现折叠现象等都导致了其泊车困难的问题。半挂车的自主泊车系统具有研究意义和商业价值。本文以牵引车半挂车近距离自主泊车系统的路径规划及跟踪控制问题作为研究对象,当货运司机将牵引车半挂车在停车场门口离开后,根据停车场提供的地图和车位信息,车辆能够自动规划出一条满足运动约束且无碰撞的路径并进行跟踪,将车辆泊入车位。根据车辆在自主泊车过程中的行为模式和泊车时的发散性,将整个自主泊车任务分成前进段和泊车段,在规划时,考虑到这两段面临的工作重点和环境的不同,分别采用不同的方法进行规划,并设计控制算法进行跟踪。本文研究工作主要分包含以下几个部分:1、分析牵引车半挂车在自主泊车期间的行为特点,将整个自主泊车功能(AVP)分成两段执行。结合车位参数信息,确定自主泊车的终止点;建立牵引车半挂车运动学模型并验证模型的有效性;分析并确定牵引车半挂车整体结构的最大前轮转角,计算牵引车半挂车的内轮差,考虑牵引车与车位对侧车道线的碰撞情况,根据通车道宽度和车位尺寸参数确定车位附近的泊车起始区域。2、将整个自主泊车路径规划分为两段,并分别进行设计。第一段为由自主泊车起始点到泊车起始区域的自主前进段,这个阶段的规划时,基于混合A*算法,将搜索的结点进行维度拓展,记录半挂车的航向角,添加铰接角约束并进行碰撞判断设计,设计代价函数并得到前进段的路径。第二段为由泊车起始区域到车位终止点的自动泊车段,采用非线性模型预测控制的方法进行路径规划,给定车速、铰接角等硬约束,对目标优化函数进行设计,进行泊车规划,并验证算法效果。3、建立路径跟踪控制器。推导牵引车半挂车的动力学方程,设计车辆纵向速度控制器和横向转角控制器,在车辆自主前进段,由牵引车跟踪规划得到的牵引车路径,在自动泊车段,由半挂车跟踪规划得到的半挂车路径。采用前馈加反馈的方式来进行横向转角控制器的设计,并通过LQR来求解控制器的反馈增益系数。通过Trucksim与Simulink构成的联合仿真平台验证跟踪控制算法。结果表明,误差在合理范围内,证明控制器的有效性。
大葱收获机自动导航关键技术研究
这是一篇关于大葱收获机,视觉导航,导航线提取,泵控马达,路径跟踪的论文, 主要内容为中国是农业和蔬菜出口大国,其中大葱产业规模居世界首位。大葱已经成为推动我国农村经济发展的重要经济产物,大葱产业已成为部分乡村实现振兴的重要支柱。大葱的规范化、机械化以及智能化收获水平已成为影响其产业发展的关键,且严重制约了大葱种植经济效益的进一步提升,其中自动导航技术是代表大葱收获机智能化收获水平的关键技术。本论文在设计大葱收获机的基础上,结合视觉技术,对路径规划、马达转速控制、路径跟踪等自动导航关键技术进行研究。主要研究内容包括:(1)大葱收获机整体设计。以大葱的结构以及种植模式为切入点结合大葱收获机的设计要求,采用一种双绞龙组合挖掘机构,进行大葱收获机的整体结构设计以及整机驱动方案设计。基于收获机工作时的动力学以及运动学理论知识,结合大葱收获机的技术参数,完成了整个驱动系统的各个元件的设计和选型。(2)大葱收获机田间收获作业路径规划研究。将大葱收获机工作时的全局路径规划分为大葱垄导航线和转弯路径,通过G-R算法、最大类间方差法以及图像形态学运算对原始图像进行预处理,成功地将连通性较好的大葱垄从土壤背景中分离出来。进一步基于大葱茏边缘特征的提取了导航关键点,应用最小二乘法快速准确地完成了导航线提取,并结合大葱收获机的作业要求,研究并确定了基于半圆形的最优转弯路径。(3)大葱收获机马达转速控制研究。根据泵控马达系统各个环节的工作原理,进行马达转速控制系统的数学建模,确定了系统开、闭环控制的传递函数,分析了PID控制器的工作原理以及其传统的参数的整定方法。针对PID传统的参数的整定方法的不足,将果蝇优化算法与PID控制相结合寻找PID控制的最优参数,完成了有负载扰动下和无负载扰动下的各种类型信号的马达转速跟踪测试,结果表明本文所设计的马达转速控制器控制效果好,满足设计要求,进而能够实现转弯半径的精确控制。(4)大葱收获机路径跟踪控制研究。根据大葱收获机在进行自主导航作业的高精度要求,提出了一种动态前视距离的纯追踪算法。根据不同的速度设定不同的前视距离基础值,再以距离偏差和方向偏差为输入设计了二维模糊控制器,实现了前视距离的动态调节。在MATLAB/Simulink中搭建了仿真模型,对本文的控制方法进行了误差的分析,仿真结果表明,与传统的纯跟踪控制方法相比,本文所设计的控制方法距离误差小且收敛速度较快,仿真效果良好,能够满足大葱收获机的自动化作业要求。
海洋石油201船的路径跟踪及控制方法研究
这是一篇关于动力定位系统,路径生成,路径导引,路径跟踪,推力分配的论文, 主要内容为对于海洋工程中的某些作业任务,尤其是中等或恶劣海况下,往往需要动力定位船作为施工船舶或辅助船舶,任务中对船舶路径跟踪能力、位置保持精度有较高的要求。同时,为了适应不同作业任务,需要匹配不同的推力分配方法,用于满足作业过程中对不同作业目标的要求。因此,研究根据海工任务的施工路径要求,完成期望路径的生成、导引、路径跟踪运动控制,并研究与之匹配的推力分配方法,开发一体化的动力定位仿真控制系统是有必要的,对实际工程具有一定的理论意义和参考价值。首先,将“海洋石油201”船作为研究对象,根据一般水面船舶的动力学和三自由度运动学模型的研究方法,建立了该船的数学模型,并通过仿真验证所建立模型的准确性与可靠性。其次,根据某工程任务需求,设计了基于航点表的路径生成算法,可以在仿真前将预计轨迹显示在界面中,作为实际作业的辅助。依据LOS导引法的原理,设计了一种圆弧路径的导引算法,确定船舶在圆弧路径上的导引点位置。并设计了直线与曲线复合路径导引方法的切换策略,保证在路径切换时船舶运动的连贯性。设计了该船的多目标控制器,匹配路径跟踪功能,利用内外环控制实现了同时对船舶位置、姿态、速度的控制。再次,设计了与路径跟踪控制功能匹配的推力分配方法。首先,根据该船的推进器布置特点,建立了推进系统数学模型,建立了各推进器对控制点形成的合力、合力矩的数学模型,依据桨-桨干扰原理设置了每台推进器的推力禁区。考虑艏向优先原则,设计了一种改进的直接分配方法,可以更好地发挥1、2、7号三台推进器的坐标位置优势,适合于船舶有转艏力矩需求的工况。通过仿真与对比分析,验证了该方法对转艏力矩响应迅速且具有低功耗性。最后,通过Qt Creator平台开发了该船的动力定位模拟器软件,软件整合了前文所研究的路径生成、导引、路径跟踪控制和改进的推力分配法等。建立了各模块对应的函数,创建相应的输入输出结构体,将其作为各函数输入输出的参数类型,将各功能函数作为软件的内部系统;设计了数据获取函数与信息显示函数,作为软件的外部系统;根据动力定位控制系统的特点,开发了不同的控制模式。最后,在该软件中对“海洋石油201”船进行了路径跟踪运动控制综合仿真分析。
大葱收获机自动导航关键技术研究
这是一篇关于大葱收获机,视觉导航,导航线提取,泵控马达,路径跟踪的论文, 主要内容为中国是农业和蔬菜出口大国,其中大葱产业规模居世界首位。大葱已经成为推动我国农村经济发展的重要经济产物,大葱产业已成为部分乡村实现振兴的重要支柱。大葱的规范化、机械化以及智能化收获水平已成为影响其产业发展的关键,且严重制约了大葱种植经济效益的进一步提升,其中自动导航技术是代表大葱收获机智能化收获水平的关键技术。本论文在设计大葱收获机的基础上,结合视觉技术,对路径规划、马达转速控制、路径跟踪等自动导航关键技术进行研究。主要研究内容包括:(1)大葱收获机整体设计。以大葱的结构以及种植模式为切入点结合大葱收获机的设计要求,采用一种双绞龙组合挖掘机构,进行大葱收获机的整体结构设计以及整机驱动方案设计。基于收获机工作时的动力学以及运动学理论知识,结合大葱收获机的技术参数,完成了整个驱动系统的各个元件的设计和选型。(2)大葱收获机田间收获作业路径规划研究。将大葱收获机工作时的全局路径规划分为大葱垄导航线和转弯路径,通过G-R算法、最大类间方差法以及图像形态学运算对原始图像进行预处理,成功地将连通性较好的大葱垄从土壤背景中分离出来。进一步基于大葱茏边缘特征的提取了导航关键点,应用最小二乘法快速准确地完成了导航线提取,并结合大葱收获机的作业要求,研究并确定了基于半圆形的最优转弯路径。(3)大葱收获机马达转速控制研究。根据泵控马达系统各个环节的工作原理,进行马达转速控制系统的数学建模,确定了系统开、闭环控制的传递函数,分析了PID控制器的工作原理以及其传统的参数的整定方法。针对PID传统的参数的整定方法的不足,将果蝇优化算法与PID控制相结合寻找PID控制的最优参数,完成了有负载扰动下和无负载扰动下的各种类型信号的马达转速跟踪测试,结果表明本文所设计的马达转速控制器控制效果好,满足设计要求,进而能够实现转弯半径的精确控制。(4)大葱收获机路径跟踪控制研究。根据大葱收获机在进行自主导航作业的高精度要求,提出了一种动态前视距离的纯追踪算法。根据不同的速度设定不同的前视距离基础值,再以距离偏差和方向偏差为输入设计了二维模糊控制器,实现了前视距离的动态调节。在MATLAB/Simulink中搭建了仿真模型,对本文的控制方法进行了误差的分析,仿真结果表明,与传统的纯跟踪控制方法相比,本文所设计的控制方法距离误差小且收敛速度较快,仿真效果良好,能够满足大葱收获机的自动化作业要求。
线控四轮独立驱动电动汽车路径跟踪控制研究
这是一篇关于四轮独立驱动,线控转向,差动转向,路径跟踪,稳定性控制,最优分配的论文, 主要内容为四轮独立驱动电动汽车结构紧凑、传动效率高,是一种较为理想的汽车结构。研究基于四轮独立驱动电动汽车的路径跟踪控制算法,有利于推动无人驾驶汽车控制技术的发展。本文以线控四轮独立驱动电动汽车为研究对象,研究基于线控前轮主动转向及差动转向的路径跟踪和行驶稳定性控制问题。首先,建立了车辆及道路系统动力学模型。对车辆动力学模型进行了简化,分别搭建了包含车辆横向和横摆运动的二自由度动力学模型以及纵向动力学模型。根据车辆与期望路径之间的运动学关系,搭建了基于预瞄控制的车辆-道路系统动力学模型,并以分段函数的形式选取了随速而变的预瞄距离。分析了四轮独立驱动电动汽车差动转向控制原理,并搭建了差动转向动力学模型。搭建了魔术公式轮胎模型和轮毂电机模型。搭建了CarSim和MATLAB/Simulink联合仿真平台。其次,设计了基于前轮主动转向及差动转向的路径跟踪控制算法。根据车辆-道路系统动力学模型,设计了基于前馈-反馈控制的前轮主动转向路径跟踪控制器,根据道路曲率的干扰所造成的稳态误差,设计了前馈控制器,基于线性二次型调节器(LQR)最优控制原理,并以车辆预瞄点处的横向偏差以及质心位置的航向偏差为控制变量设计了反馈控制器。基于滑模控制原理,设计了差动转向前轮转角跟踪控制器,通过控制前轴左右驱动轮之间的驱动力矩差,进而实现差动转向。基于车辆纵向动力学模型,设计了速度跟随控制器。采用载荷比例分配,对驱动力矩进行了分配。并通过联合仿真平台进行了阶段性仿真试验,验证了控制算法在不同车速下的控制效果。然后,设计了维持车辆稳定行驶的横摆稳定性控制器。分析了质心侧偏角、横摆角速度与车辆稳定性之间的关系,并采用dβ-β相平面法对车辆的失稳状态进行判断。基于滑模控制原理,并结合质心侧偏角和横摆角速度对车辆行驶稳定性的影响,设计了横摆稳定性控制器,求解出维持车辆稳定行驶时所需的附加横摆力矩。并以轮胎负荷利用率最小化为优化目标,设计了下层驱动力矩优化分配控制器,采用有效集法实现对驱动力矩的优化分配。并进行了正弦前轮转角仿真试验,证明了车辆加入附加横摆力矩控制后能够有效改善行驶稳定性。最后,针对车辆基于前轮主动转向及差动转向的路径跟踪控制和行驶稳定性控制算法进行了联合仿真试验分析,选用了较高附着系数的双移线道路作为仿真工况,分别对前轮主动转向加附加横摆力矩控制、差动转向加附加横摆力矩控制下的路径跟踪进行了仿真分析,证明了两种转向控制方式加入附加横摆力矩控制后均能取得较好的控制效果。然后针对差动转向控制系统在线控前轮主动转向系统发生故障后作为一种备份转向系统进行了仿真分析,并因此证明了差动转向控制系统具有良好的应用前景。
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