智能船舶人机共融制导与控制研究

来源 :大连海事大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:hexin123456789
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智能船舶是一种融合通信传感、人工智能和人机交互等多种先进技术的水面载具平台,具备自主感知、决策和控制能力,可执行货物运输、离岸靠泊等任务,得到各国及相关机构的关注,并广泛应用于民事和军事领域。人机共融控制作为一种人类驾驶与自动驾驶协同作业的新兴智能控制方法,是人工控制和自动控制的揉和,人机均具有分析决策能力。因此,如何协调缓解控制冲突,成为关键性问题。本文围绕着智能船舶的人机共融控制器设计和共融权限分配问题展开研究,论文的主要工作如下:首先,研究了存在执行机构故障和输入饱和下的智能船舶航向人机共融问题,提出了基于驾驶可靠性模型的人机共融航向控制器设计方法。在驾驶人层级,人类驾驶员负责对故障检测与评估。在自动驾驶层级,基于复合模型参考自适应控制方法(compound model reference adaptive control,CMRAC)跟踪航向指令。在协调层级,通过引入驾驶可靠性模型,计算执行器效率系数的共融估计值。稳定性分析证明跟踪误差为一致最终有界,且闭环系统所有自适应参数信号均保持有界,仿真结果验证了所提基于驾驶可靠性模型的人机共融航向控制器方法的有效性。其次,研究了复杂水域存在动静态障碍物下的智能船舶人机共融路径跟踪制导问题,提出一种基于距离评价模型的人机共融视线制导(light-of-sight,LOS)控制器设计方法。在驾驶人层级,人类驾驶员执行防碰撞操纵任务。在自动驾驶层级,驾驶系统执行路径跟踪任务。在协调层级,基于操纵船舶与障碍物间的距离调节控制权,以缓和驾驶人与驾驶系统间的冲突,并通过融合人机各自制导输入,将人机共融制导指令拓展到控制层采用无模型控制(model free control,MFC)方法跟踪预设航速和共融航向指令。根据输入状态稳定性(ISS)定理,证明底层闭环子系统的稳定性,仿真结果验证了所提基于距离评价模型的人机共融视线制导方法的有效性。最后,研究了复杂水域存在动静态障碍物下的智能船舶人机共融路径跟踪问题,提出一种基于碰撞危险度(collision risk index,CRI)模型的人机共融控制器设计方法。在驾驶人层级,人类驾驶员完成防碰撞操纵任务。在自动驾驶层级,驾驶系统完成路径跟踪任务。在协调层级,构建多元碰撞船舶隶属函数模型,模糊评判船舶防碰撞操纵的时机和转向幅度,并基于船舶复合碰撞危险度,赋予人类驾驶与自动驾驶权限,通过无模型控制器计算底层推力与舵角,并融合人机输入的舵角指令拓展到船舶航向模型中。仿真结果验证了所提基于碰撞危险度模型的人机共融控制方法的有效性。
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