Station keeping is an essential maneuver for Autonomous Surface Vehicles (ASVs), mainly when used in confined spaces, to carry out surveys that require the ASV to keep its position or in collaboration with other vehicles where the relative position has an impact over the mission. However, this maneuver can become challenging for classic feedback controllers due to the need for an accurate model of the ASV dynamics and the environmental disturbances. This work proposes a Model Predictive Controller using Neural Network Simulation Error Minimization (NNSEM-MPC) to accurately predict the dynamics of the ASV under wind disturbances. The performance of the proposed scheme under wind disturbances is tested and compared against other controllers in simulation, using the Robotics Operating System (ROS) and the multipurpose simulation environment Gazebo. A set of six tests were conducted by combining two wind speeds (3 m/s and 6 m/s) and three wind directions (0$^\circ$, 90$^\circ$, and 180$^\circ$). The simulation results clearly show the advantage of the NNSEM-MPC over the following methods: backstepping controller, sliding mode controller, simplified dynamics MPC (SD-MPC), neural ordinary differential equation MPC (NODE-MPC), and knowledge-based NODE MPC (KNODE-MPC). The proposed NNSEM-MPC approach performs better than the rest in 4 out of the 6 test conditions, and it is the second best in the 2 remaining test cases, reducing the mean position and heading error by at least 31\% and 46\% respectively across all the test cases. In terms of execution speed, the proposed NNSEM-MPC is at least 36\% faster than the rest of the MPC controllers. The field experiments on two different ASV platforms showed that ASVs can effectively keep the station utilizing the proposed method, with a position error as low as $1.68$ m and a heading error as low as $6.14^{\circ}$ within time windows of at least $150$s.


翻译:定位保持是自主水面艇(ASVs)在受限空间内执行需要保持位置的测量任务、或与其他航行器协同作业(其中相对位置影响任务成败)时的一项关键操作。然而,由于需要精确的ASV动力学模型和扰动建模,该操作对传统反馈控制器构成挑战。本文提出了一种利用神经网络仿真误差最小化的模型预测控制器(NNSEM-MPC),以在风扰动下精确预测ASV动力学特性。通过机器人操作系统(ROS)和多用途仿真环境Gazebo,对所提方案在风扰动下的性能进行了仿真测试,并与其它控制器进行了对比。实验组合了两种风速(3 m/s和6 m/s)与三种风向(0$^\circ$、90$^\circ$和180$^\circ$)共六组测试。仿真结果明确显示NNSEM-MPC相较于以下方法具有优势:反步控制器、滑模控制器、简化动力学MPC(SD-MPC)、神经常微分方程MPC(NODE-MPC)以及知识增强NODE MPC(KNODE-MPC)。所提NNSEM-MPC方法在6种测试条件中的4种中表现最佳,在剩余2种测试中排名第二,所有测试案例的平均位置误差和航向误差分别降低了至少31%和46%。在计算速度方面,所提NNSEM-MPC相比其他MPC控制器至少快36%。在两艘不同ASV平台上的现场实验表明,利用所提方法ASV能有效实现定位保持,在至少150秒的时间窗口内位置误差低至1.68米,航向误差低至6.14$^{\circ}$。

0
下载
关闭预览

相关内容

Linux导论,Introduction to Linux,96页ppt
专知会员服务
82+阅读 · 2020年7月26日
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2023年11月29日
Arxiv
12+阅读 · 2023年5月31日
VIP会员
最新内容
CVPR 2026教程:统一多模态模型走向收敛之路
专知会员服务
0+阅读 · 今天14:41
《人工智能在网络防御中的机遇》
专知会员服务
3+阅读 · 今天12:49
认知战:定义与能力发展
专知会员服务
4+阅读 · 今天9:25
乌军利用美国“黄蜂”无人机摧毁俄军后勤
专知会员服务
7+阅读 · 6月7日
《支持作战级人机协同智能的交互式OODA流程》
专知会员服务
15+阅读 · 6月7日
ICML 2026 | SARDI:扩散语言模型的自增强检索
专知会员服务
8+阅读 · 6月6日
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
相关基金
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员