基于模型预测的AUV三维轨迹跟踪控制研究

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    61503239
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    21.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    F0306.自动化检测技术与装置
  • 结题年份:
    2018
  • 批准年份:
    2015
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2016-01-01 至2018-12-31

项目摘要

Trajectory tracking control of Autonomous Underwater Vehicle (AUV) is one of the key technologies of AUV motion control. The pros and cons of its controller design have a great influence on the final tracking performance. This project is proposed in view of system research for AUV three-dimensional trajectory tracking control focusing on the key problems of dynamic current influence, model uncertainty, external disturbance and actuator saturation. For the actuator saturation problem, the trajectory tracking control algorithm is put forward on the basis of model predictive control. By constraint characteristics of MPC, the AUV actuator saturation constraint can be satisfied. At the same time, Quantum-behaved Particle Swarm Optimization (QPSO) algorithm is considered for the optimization design of the control law to reduce the tracking error. For the effect of dynamic ocean current, the ocean current observer and velocity synthesis method is proposed to solve tracking problem under the ocean current environment. For the model uncertainty and external disturbance problem, the design of model predictive control and sliding mode control (MPC-SMC) cascade control system is proposed. By using the robust characteristics of sliding mode control, the effect of AUV model uncertainty and external disturbance in the complex underwater environment can be overcome. Finally, the system simulation research is conducted and pool experiments verified on the "Maritime" AUV.
自治水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)轨迹跟踪控制是AUV运动控制的关键技术之一,其控制器设计的优劣影响最终的跟踪性能。本项目针对动态海流影响、模型不确定性与外界扰动、驱动饱和几个关键问题,系统研究AUV的三维轨迹跟踪控制问题。对于驱动饱和问题,提出以模型预测控制(model predictive control,MPC)为基础的轨迹跟踪控制算法。利用MPC的约束特性,满足AUV的驱动饱和约束;同时考虑利用量子粒子群算法优化控制律,降低跟踪误差。对于动态海流影响,利用海流观测器与速度合成解决海流环境下的跟踪问题。针对模型不确定性与外界扰动问题,构造模型预测与滑模控制(MPCSMC)级联控制系统,利用滑模控制的鲁棒特性,克服AUV在复杂水下环境下的模型不确定性与外界扰动影响。最后,进行系统仿真研究并在“海事号”AUV上进行水池实验验证。

结项摘要

自治水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)轨迹跟踪控制是AUV运动控制的关键技术之一,是实现水下精确作业的重要前提,其控制器设计的优劣影响最终的跟踪性能。本项目基于已有前期基础,针对模型不确定性与外界扰动、驱动饱和、避障控制、推进器故障等关键问题,系统研究了AUV的三维轨迹跟踪控制问题。针对驱动饱和问题,提出以模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)为基础的运动学和动力学轨迹跟踪控制算法。利用MPC的约束特性,满足AUV的驱动饱和约束。针对模型不确定性与外界扰动问题,构造模型预测与滑模控制(MPC-SMC)级联控制系统,利用滑模控制的鲁棒特性,克服AUV在复杂水下环境下的模型不确定性与外界扰动影响。针对欠驱动AUV跟踪及其避障问题,提出了基于优化避障功能的滑模控制方法,实现了障碍物环境下的轨迹跟踪。针对推进器故障情况下的容错跟踪问题,对于推进器部分故障和完全故障情形,在已有跟踪控制器基础上提出了伪逆重构和量子粒子群优化相结合的混合容错跟踪控制策略。最后,通过系统仿真研究验证各种环境下的轨迹跟踪方法有效性,并在实验室“海事一号”AUV和“海事金枪鱼”AUV上进行水池实验验证。通过仿真和实验验证,验证了本项目所提方法能够实现水下复杂环境下的稳定跟踪控制,对于提高AUV跟踪控制效果和可靠性具有较强的适用性。

项目成果

期刊论文数量(11)
专著数量(0)
科研奖励数量(4)
会议论文数量(5)
专利数量(5)
Complete Coverage Autonomous Underwater Vehicles Path Planning Based on Glasius Bio-Inspired Neural Network Algorithm for Discrete and Centralized Programming
基于Glasius仿生神经网络离散集中编程算法的全覆盖自主水下航行器路径规划
  • DOI:
    10.1109/tcds.2018.2810235
  • 发表时间:
    2019-03-01
  • 期刊:
    IEEE TRANSACTIONS ON COGNITIVE AND DEVELOPMENTAL SYSTEMS
  • 影响因子:
    5
  • 作者:
    Sun, Bing;Zhu, Daqi;Luo, Chaomin
  • 通讯作者:
    Luo, Chaomin
An Optimized Fuzzy Control Algorithm for Three-Dimensional AUV Path Planning
三维AUV路径规划的优化模糊控制算法
  • DOI:
    10.1007/s40815-017-0403-1
  • 发表时间:
    2018-02-01
  • 期刊:
    INTERNATIONAL JOURNAL OF FUZZY SYSTEMS
  • 影响因子:
    4.3
  • 作者:
    Sun, Bing;Zhu, Daqi;Yang, Simon X.
  • 通讯作者:
    Yang, Simon X.
CASCADED UUV TRAJECTORY TRACKING CONTROL BASED ON MODEL PREDICTIVE AND SLIDING MODE CONTROL
基于模型预测和滑模控制的级联UUV轨迹跟踪控制
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    Journal of Marine Science and Technology
  • 影响因子:
    2.6
  • 作者:
    Bing Sun;Wenyang GAN;Man Mei;Daqi Zhu
  • 通讯作者:
    Daqi Zhu
A Novel Tracking Controller for Autonomous Underwater Vehicles with Thruster Fault Accommodation
具有推进器故障调节功能的新型自主水下航行器跟踪控制器
  • DOI:
    10.1017/s0373463315000806
  • 发表时间:
    2015-12
  • 期刊:
    Journal of Navigation
  • 影响因子:
    2.4
  • 作者:
    Sun Bing;Zhu Daqi;Yang Simon X.
  • 通讯作者:
    Yang Simon X.
A multi-AUV cooperative hunting method in 3-D underwater environment with obstacle
三维水下障碍环境下多AUV协同狩猎方法
  • DOI:
    10.1016/j.engappai.2016.01.036
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    Engineering Applications of Artificial Intelligence
  • 影响因子:
    8
  • 作者:
    Huang Zongrui;Zhu Daqi;Sun Bing
  • 通讯作者:
    Sun Bing

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其他文献

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  • 作者:
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  • 通讯作者:
    王慧
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  • 发表时间:
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  • 期刊:
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  • 作者:
    孙兵;江国泰;陆晓峰;曹毅;Sun Bing1 Jiang Guotai2 Lu Xiaofeng3 Cao Yi4 1(Sch
  • 通讯作者:
    Sun Bing1 Jiang Guotai2 Lu Xiaofeng3 Cao Yi4 1(Sch
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  • 作者:
    闫彩霞;郑奕雄;单世华;陈高;张廷婷;孙兵
  • 通讯作者:
    孙兵

其他文献

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海洋权益冲突中的多UUV协同对抗与博弈策略研究
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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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