详情

原文传递无人艇单目视觉伺服运动控制研究

论文题名：	无人艇单目视觉伺服运动控制研究
关键词：	无人艇;单目视觉伺服;镇定控制;跟踪控制;集群控制
摘要：	作为小型化的海洋机器人，无人艇可以替代人类完成重复和危险的作业任务，且在民用和军事领域发挥着越来越重要的作用。然而，无人艇运动控制常采用全球定位系统测量位置状态，这限制了控制算法的应用场景。在此背景下，全球定位系统拒止环境下的无人艇运动控制问题成为了学者们关注的研究热点之一。论文以单目相机为感知和测量单元，通过赋予无人艇视觉功能，提高其环境感知能力和运动自主性。围绕单目视觉引起的运动控制问题，开展无人艇单目视觉伺服镇定控制、跟踪控制和集群控制研究，提出相应的视觉伺服控制方法。主要研究工作如下：　　针对无人艇单目视觉伺服镇定控制问题，分别提出基于极速学习和基于有限时间扩张观测器的无人艇镇定控制方法。为了便于恢复位姿误差，采用单应性分解技术建立无人艇单目视觉伺服镇定控制系统。首先，考虑图像深度和模型动态未知问题，采用双通道学习机制的单隐层前馈神经网络逼近系统集总未知项，并利用双曲正切函数直接连接该网络的输入和输出层，提高逼近速率和精度，由此提出基于极速学习的无人艇镇定控制方法，使镇定误差以任意精度趋近于零。然后，考虑测量速度受噪声干扰问题，设计有限时间扩张观测器，同步重构无人艇速度和系统总扰动，避免测量噪声引起控制输入抖振；设计满足齐次度的非线性反馈，直接适应未知图像深度，降低计算复杂度；据此提出基于有限时间扩张观测器的无人艇镇定控制方法，使镇定误差实际有限时间稳定。最后，通过仿真和对比结果验证所提方法在无人艇镇定控制中的有效性。　　针对无人艇单目视觉伺服跟踪控制问题，为云台相机和无人艇分别提出基于障碍函数的目标跟踪控制方法和基于位置观测器的轨迹跟踪控制方法。为了保持相机视野，利用主动视觉系统跟踪视觉目标。首先，考虑主动视觉伺服目标跟踪控制中图像深度未知、雅克比矩阵奇异和视野受限问题，设计一维目标跟踪误差，便于利用伪逆技术，避免控制奇异；设计具有有限逃逸属性的障碍函数，使目标跟踪误差严格满足视野约束；采用参数自适应方法，在线估计图像深度相关参数；由此提出基于障碍函数的自适应伪逆控制方法，使目标跟踪误差渐近稳定，从而为无人艇单目视觉伺服轨迹跟踪控制持续地提供视觉信息。然后，考虑轨迹跟踪控制中图像深度和模型动态未知问题，设计有限时间位置观测器，通过在线快速标定相机外部参数，实现无人艇有限时间单目视觉定位，结合有限时间扩张观测器和非奇异终端滑模控制，提出基于位置观测器的无人艇轨迹跟踪控制方法，使轨迹跟踪误差有限时间稳定。最后，通过仿真和对比结果验证所提方法在目标跟踪控制和轨迹跟踪控制中的有效性。　　针对无人艇单目视觉伺服集群控制问题，分别提出基于预设性能函数的无人艇固定编队控制方法和基于障碍李雅普诺夫函数的无人艇自组织集群控制方法。为了提高运动自主性，根据视线距离和角度，分别设计固定编队控制和自组织集群控制任务。首先，考虑固定编队控制中视野保持和安全避碰问题，通过指数衰减的性能函数为编队误差预设可行的演化区域，将以上问题转化为预设性能控制问题，结合反步法、神经网络和参数自适应方法，提出基于预设性能函数的无人艇固定编队控制方法，使编队误差在复杂未知动态下满足预设性能且一致最终有界。然后，考虑自组织集群控制中多目标控制问题，采用控制李雅普诺夫函数和障碍李雅普诺夫函数描述全局和局部控制任务，通过自动权衡各控制目标的优先级，保证控制算法的运算实时性，结合滑模控制、神经网络和参数自适应方法，提出基于障碍李雅普诺夫函数的无人艇自组织集群控制方法，使集群控制系统在复杂未知动态下渐近稳定，从而实现视野保持、群体聚集、群体分离和速度一致控制目的。最后，通过仿真和对比结果验证所提方法在固定编队控制和自组织集群控制中的有效性。
作者：	何红坤
专业：	船舶电气工程
导师：	王宁
授予学位：	博士
授予学位单位：	大连海事大学
学位年度：	2022