CN112527018A - 一种欠驱动自主水下航行器的三维镇定控制方法 - Google Patents

一种欠驱动自主水下航行器的三维镇定控制方法 Download PDF

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CN112527018A CN202011569929.8A CN202011569929A CN112527018A CN 112527018 A CN112527018 A CN 112527018A CN 202011569929 A CN202011569929 A CN 202011569929A CN 112527018 A CN112527018 A CN 112527018A
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Abstract

本发明公开了一种欠驱动自主水下航行器的三维镇定控制方法，包括：应用李雅普诺夫理论和反步法设计三维镇定运动学控制器，用于产生期望的速度信号；应用滑模控制技术设计三维镇定动力学控制器，根据期望的速度信号输出实际的控制信号。本发明应用李雅普诺夫（Lyapunov）理论和反步法（Backstepping）设计了运动学控制器，基于滑模控制（SMC）技术设计了动力学控制器。实现了欠驱动AUV在海流环境中的三维镇定控制。

Description

一种欠驱动自主水下航行器的三维镇定控制方法
技术领域
本发明涉及自主水下航行器，具体涉及一种海流环境中欠驱动自主水下航行器的三维镇定控制方法。
背景技术
目前，自主水下航行器（AUV）具有活动范围大、机动性好、尺寸小、重量轻等优点，它们逐渐成为完成水下任务的重要工具。为了节能和提高可靠性，AUV经常被设计为欠驱动的形式，且不具备后退（倒车）的能力。当AUV需要稳定在某个位置执行任务或回收返回母船时经常会用到镇定控制。镇定控制，又称为点镇定（Point Stabilization），从控制角度来说就是设计一个控制输入给AUV，在此控制输入作用下AUV能够从任意的初始位姿最终稳定在期望的位置。
目前国内外与AUV镇定控制相关的研究成果大部分集中在欠驱动船舶的镇定控制，这种情况类似于欠驱动 AUV 在水平面的镇定控制。
有文献针对欠驱动船舶的镇定问题，基于级联系统理论通过输入和坐标变换将模型转换为新系统之后，设计了一种基于自适应反步法的欠驱动水面船舶的镇定控制器，实现了对欠驱动船舶的镇定控制。
有文献以欠驱动水面船舶为研究对象，在对模型进行变换得到新系统之后，提出了一种基于自适应反步法的欠驱动水面船舶的镇定控制器的设计算法，最后通过仿真实验对该控制器在干扰环境中的控制性能进行了验证。
有文献针对欠驱动无人艇的镇定问题，基于级联系统理论通过微分同胚变换将模型转换为新系统之后，设计了一种基于自适应反步法的欠驱动无人艇的镇定控制器，保证了无人艇镇定误差的全局K指数稳定性，实现了对欠驱动无人艇的镇定控制。
有文献针对欠驱动船舶的镇定问题，基于级联系统理论并应用反步法和自适应技术设计了一种滑模控制器，实现了对欠驱动船舶的镇定控制，对未知干扰以及参数不确定具有一定的鲁棒性。
有文献针对欠驱动船舶的镇定问题，首先通过对输入和状态进行坐标变换，将镇定控制转换为对两个级联系统的控制问题。然后，应用反步法设计了控制器，保证了欠驱动船舶镇定误差的稳定性，实现了对欠驱动船舶的镇定控制。
有文献针对欠驱动船舶的镇定问题，首先建立欠驱动船舶运动模型，综合考虑了运动学和动力学模型，分别设计状态和输出反馈控制器解决了欠驱动船舶的镇定控制问题。关于 AUV 的镇定控制问题，研究成果相对较少一些，而且基本都是考虑的全驱动AUV的镇定控制。
有文献应用滑模控制技术设计了鲁棒控制器，可以实现对欠驱动AUV在水平面内的镇定和路径点跟踪控制。
有文献针对AUV水平面的镇定问题，首先通过坐标和微分变换，将镇定控制运动模型转换为极坐标的形式。然后，应用反步法设计了控制器，保证了AUV镇定误差的稳定性，实现了对AUV水平面的镇定控制。
有文献通过设计海流观测器对海流进行估计，然后应用Lyapunov理论和反步法设计了非线性自适应控制器，在存在海流和模型不确定的条件下，实现了AUV的路径点跟踪和镇定控制。
有文献针对AUV 的镇定控制问题，基于级联系统理论通过控制输入变换和微分同胚变换将控制系统进行分解得到相应的子系统。然后，设计控制器对子系统进行镇定控制，保证了AUV镇定误差的稳定性，实现了对AUV的镇定控制，并通过仿真实验对该控制器的控制性能进行了验证。
但是以上文献仅仅解决了水平面内的二维镇定问题，也没有考虑欠驱动AUV不能后退（倒车）的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种欠驱动自主水下航行器的三维镇定控制方法，应用李雅普诺夫（Lyapunov）理论和反步法（Backstepping）设计了运动学控制器，基于滑模控制（SMC）技术设计了动力学控制器。实现了欠驱动AUV在海流环境中的三维镇定控制。。
本发明采用的技术方案是：一种欠驱动自主水下航行器的三维镇定控制方法，包括：
应用李雅普诺夫理论和反步法设计三维镇定运动学控制器，用于产生
期望的速度信号；
应用滑模控制技术设计三维镇定动力学控制器，根据期望的速度信号
输出实际的控制信号。
进一步地，所述设计三维镇定运动学控制器包括：
假设海流在水平面内的方向和速度近似为常值，
航行时间和距离假设是可取的，
欠驱动AUV忽略横摇后，其运动学方程可以简化为如下形式：
Figure 658368DEST_PATH_IMAGE001
(5)
定义误差变量：
Figure 853857DEST_PATH_IMAGE002
(6)
式中，
Figure 690226DEST_PATH_IMAGE003
为AUV与稳定点（原点）在水平面内的距离，满足
Figure 463010DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 410237DEST_PATH_IMAGE005
；
Figure 319287DEST_PATH_IMAGE006
为接收圆的半径，接收圆的圆心为原点；对
Figure 326558DEST_PATH_IMAGE007
求导可得：
Figure 321059DEST_PATH_IMAGE008
(7)
式中，
Figure 71977DEST_PATH_IMAGE009
实现欠驱动AUV在海流环境中的镇定控制，包括：
实现AUV的航速最终稳定在零；
实现AUV的深度最终稳定在零；
实现误差变量
Figure 835534DEST_PATH_IMAGE010
最终要小于或等于零；
实现AUV的航速最终稳定在零包括：
设计AUV的期望纵向速度为：
Figure 10775DEST_PATH_IMAGE011
(8)
式中，
Figure 492572DEST_PATH_IMAGE012
；显然，只要AUV进入接收圆以内则
Figure 781602DEST_PATH_IMAGE013
；
实现AUV的深度最终稳定在零包括：
基于视线法导引律设计AUV的期望纵倾角为：
Figure 665245DEST_PATH_IMAGE014
(9)
式中，
Figure 748738DEST_PATH_IMAGE015
为前视距离；假设
Figure 717831DEST_PATH_IMAGE016
，则
Figure 76132DEST_PATH_IMAGE017
式中，
Figure 814280DEST_PATH_IMAGE018
为AUV垂向速度的上限，因为欠驱动AUV的垂向速度很小，所以AUV的深度最终能够收敛到零；
定义误差变量
Figure 334255DEST_PATH_IMAGE019
，构造Lyapunov函数：
Figure 790644DEST_PATH_IMAGE020
(10)
设计AUV期望纵倾角速度为：
Figure 421476DEST_PATH_IMAGE021
(11)
式中，
Figure 279711DEST_PATH_IMAGE022
，假设
Figure 705007DEST_PATH_IMAGE023
，可得
Figure 648692DEST_PATH_IMAGE024
实现误差变量
Figure 817637DEST_PATH_IMAGE025
最终要小于或等于零包括：
构造Lyapunov函数
Figure 530378DEST_PATH_IMAGE026
(12)
设计AUV期望艏摇角速度为：
Figure 383366DEST_PATH_IMAGE027
(13)
式中，
Figure 548768DEST_PATH_IMAGE028
，可得
Figure 521403DEST_PATH_IMAGE029
只要满足
Figure 354230DEST_PATH_IMAGE030
根据误差值按指数函数进行调节，用于减小鲁棒项产生的抖振；
对误差变量
Figure 386908DEST_PATH_IMAGE031
的稳定性进行分析：
假设
Figure 39606DEST_PATH_IMAGE032
，根据关系式
Figure 815932DEST_PATH_IMAGE033
，误差方程（7）可以重新整理为：
Figure 503265DEST_PATH_IMAGE034
(14)
式中，
Figure 706845DEST_PATH_IMAGE035
欠驱动AUV没有垂向的驱动力，其垂向速度w远小于纵向速度
Figure 846839DEST_PATH_IMAGE036
，另外AUV的最大纵倾角一般不超过±45°，所以
Figure 20331DEST_PATH_IMAGE037
是可以被保证的；
Figure 437537DEST_PATH_IMAGE038
是有界的，
Figure 936652DEST_PATH_IMAGE039
的稳定性在控制器中得到保证，所以误差变量
Figure 439308DEST_PATH_IMAGE040
是稳定的。
更进一步地，所述设计三维镇定动力学控制器包括：
不确定项
Figure 416492DEST_PATH_IMAGE041
可以视为慢时变信号且满足
Figure 688204DEST_PATH_IMAGE042
为不确定项的上限；
定义纵向速度误差为
Figure 358220DEST_PATH_IMAGE043
，定义滑模函数：
Figure 207227DEST_PATH_IMAGE044
(15)
式中，
Figure 126117DEST_PATH_IMAGE045
；定义估计误差为，
Figure 376970DEST_PATH_IMAGE046
的估计值，构造Lyapunov函数：
Figure 93253DEST_PATH_IMAGE047
(16)
设计控制律为：
Figure 429557DEST_PATH_IMAGE048
(17)
式中，
Figure 889488DEST_PATH_IMAGE049
，可得：
Figure 260426DEST_PATH_IMAGE050
定义纵倾角速度误差为
Figure 147611DEST_PATH_IMAGE051
，定义滑模函数：
Figure 236790DEST_PATH_IMAGE052
(18)
式中，
Figure 234833DEST_PATH_IMAGE053
；定义估计误差为
Figure 194699DEST_PATH_IMAGE054
的估计值；构造Lyapunov函数：
Figure 642997DEST_PATH_IMAGE055
(19)
设计控制律为：
Figure 829259DEST_PATH_IMAGE056
(20)
式中，
Figure 755627DEST_PATH_IMAGE057
，可得：
Figure 710945DEST_PATH_IMAGE058
定义艏摇角速度误差为
Figure 64566DEST_PATH_IMAGE059
，定义滑模函数：
Figure 597178DEST_PATH_IMAGE060
(21)
式中，
Figure 202603DEST_PATH_IMAGE061
；定义估计误差为
Figure 402640DEST_PATH_IMAGE062
的估计值；构造Lyapunov函数：
Figure 805458DEST_PATH_IMAGE063
(22)
设计控制律为：
Figure 825367DEST_PATH_IMAGE064
(23)
式中，
Figure 968903DEST_PATH_IMAGE065
，可得：
Figure 23447DEST_PATH_IMAGE066
。
本发明的优点：
本发明应用李雅普诺夫（Lyapunov）理论和反步法（Backstepping）设计了运动学控制器，基于滑模控制（SMC）技术设计了动力学控制器。实现了欠驱动AUV在海流环境中的三维镇定控制。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是AUV受到的力和力矩的坐标系和运动参数图；
图2 本发明的海流环境中的三维镇定控制系统原理图；
图3（a）是海流环境中三维镇定控制仿真结果的三维镇定三维曲线图；
图3（b）是海流环境中三维镇定控制仿真结果的三维镇定曲线水平面投影图；
图3（c）是海流环境中三维镇定控制仿真结果的三维镇定曲线垂直面投影图；
图3（d）是海流环境中三维镇定控制仿真结果的水平面投影局部放大图；
图3（e）是海流环境中三维镇定控制仿真结果的推进器转速图；
图3（f）是海流环境中三维镇定控制仿真结果的水平舵角曲线图；
图3（g）是海流环境中三维镇定控制仿真结果的垂直舵角曲线图；
图3（h）是海流环境中三维镇定控制仿真结果的纵向速度曲线图；
图3（i）是海流环境中三维镇定控制仿真结果的期望纵向速度曲线图；
图3（j）是海流环境中三维镇定控制仿真结果的横向速度曲线图；
图3（k）是海流环境中三维镇定控制仿真结果垂向速度曲线图；
图3（l）是海流环境中三维镇定控制仿真结果的纵倾角速度曲线图；
图3（m）是海流环境中三维镇定控制仿真结果的艏摇角速度曲线图；
图3（n）是海流环境中三维镇定控制仿真结果的纵向误差曲线图；
图3（o）是海流环境中三维镇定控制仿真结果横向误差曲线图；
图3（p）是海流环境中三维镇定控制仿真结果的垂向误差曲线图；
图3（q）是海流环境中三维镇定控制仿真结果的纵倾角曲线图；
图3（r）是海流环境中三维镇定控制仿真结果的艏摇角曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的欠驱动AUV尾部装有一个推进器用来实现对航速的控制、水平舵和方向舵实现对纵倾和艏摇的控制。AUV的运动及受力分析采用随体坐标系{B}:O-xyz和固定坐标系{I}:E-ξηζ两种坐标系，AUV受到的力和力矩如图1所示。
因为AUV的横摇很小，忽略横摇后（由于本发明的欠驱动AUV体积小，横摇也很小而且不需要控制，所以可以忽略横摇的影响），其运动学和动力学模型可以简化为以下五自由度的形式：
Figure 859816DEST_PATH_IMAGE067
(1)
Figure 632600DEST_PATH_IMAGE068
(2)
Figure 314248DEST_PATH_IMAGE069
(3)
Figure 488877DEST_PATH_IMAGE070
Figure 230569DEST_PATH_IMAGE071
(4)
式中：
Figure 225069DEST_PATH_IMAGE072
Figure 835042DEST_PATH_IMAGE073
代表模型不确定项，其它均为水动力参数。
三维镇定运动学控制器的设计
首先为了简化控制器的设计，在本节中假设海流在水平面内的方向和速度近似为常值。
因为海流的方向和速度在有限时间和海域内是比较稳定的，另外本发明研究的欠驱动AUV体积比较小，航行时间和距离比较有限，所以该假设是可取的。
由于本发明研究的欠驱动AUV的横摇角很小，忽略横摇后，其运动学方程可以简化为如下形式：
Figure 739544DEST_PATH_IMAGE001
(5)
定义误差变量：
Figure 42350DEST_PATH_IMAGE002
(6)
式中，
Figure 133934DEST_PATH_IMAGE003
为AUV与稳定点（原点）在水平面内的距离，满足
Figure 547597DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 306606DEST_PATH_IMAGE005
；
Figure 514733DEST_PATH_IMAGE006
为接收圆的半径，接收圆的圆心为原点；对
Figure 483826DEST_PATH_IMAGE007
求导可得：
Figure 308038DEST_PATH_IMAGE008
(7)
式中，
Figure 311767DEST_PATH_IMAGE009
要实现欠驱动AUV在海流环境中的镇定控制，控制目标一共有以下三个：
第一个控制目标是AUV的航速最终要稳定在零；
第二个控制目标是AUV的深度最终要稳定在零；
第三个控制目标是误差变量
Figure 566162DEST_PATH_IMAGE075
最终要小于或等于零。
首先，为了实现第一个控制目标设计AUV的期望纵向速度为：
Figure 22551DEST_PATH_IMAGE011
(8)
式中，
Figure 653383DEST_PATH_IMAGE012
；显然，只要AUV进入接收圆以内则
Figure 246039DEST_PATH_IMAGE013
；第一个控制目标即可完成。
接下来，为了实现第二个控制目标，基于视线法导引律设计AUV的期望纵倾角为：
Figure 936914DEST_PATH_IMAGE014
(9)
式中，
Figure 615020DEST_PATH_IMAGE015
为前视距离；假设
Figure 174177DEST_PATH_IMAGE016
，则
Figure 762285DEST_PATH_IMAGE017
式中，
Figure 483116DEST_PATH_IMAGE018
为AUV垂向速度的上限，因为欠驱动AUV的垂向速度很小，所以AUV的深度最终能够收敛到零；
为了实现对期望纵倾角的跟踪控制，定义误差变量
Figure 523884DEST_PATH_IMAGE019
，构造Lyapunov函数：
Figure 621153DEST_PATH_IMAGE020
(10)
设计AUV期望纵倾角速度为：
Figure 329346DEST_PATH_IMAGE021
(11)
式中，
Figure 221079DEST_PATH_IMAGE022
，假设
Figure 873777DEST_PATH_IMAGE023
，可得
Figure 650103DEST_PATH_IMAGE024
最后，为了实现第三个控制目标，构造Lyapunov函数
Figure 71857DEST_PATH_IMAGE026
(12)
设计AUV期望艏摇角速度为：
Figure 24506DEST_PATH_IMAGE027
(13)
式中，
Figure 164500DEST_PATH_IMAGE028
，可得
Figure 744517DEST_PATH_IMAGE029
只要满足
Figure 20778DEST_PATH_IMAGE030
根据误差值按指数函数进行调节，用于减小鲁棒项产生的抖振；
结合公式（7），接下来对误差变量
Figure 519892DEST_PATH_IMAGE031
的稳定性进行分析：
假设
Figure 756970DEST_PATH_IMAGE032
，根据关系式
Figure 999732DEST_PATH_IMAGE033
，误差方程（7）可以重新整理为：
Figure 271445DEST_PATH_IMAGE034
(14)
式中，
Figure 941460DEST_PATH_IMAGE035
因为欠驱动AUV没有垂向的驱动力，其垂向速度w远小于纵向速度
Figure 790468DEST_PATH_IMAGE036
，另外AUV的最大纵倾角一般不超过±45°，所以
Figure 446708DEST_PATH_IMAGE037
是可以被保证的；
Figure 963140DEST_PATH_IMAGE038
是有界的，
Figure 679423DEST_PATH_IMAGE039
的稳定性在控制器中得到保证，所以误差变量
Figure 281306DEST_PATH_IMAGE040
是稳定的。
公式（14）为结合公式（7）得出，以便进行稳定性分析。
三维镇定动力学控制器的设计
动力学控制器的任务是根据运动学控制器产生的期望速度信号输出实际的控制量，即AUV推进器的转速和舵角。因为本发明所研究的AUV航速较低，不确定项
Figure 475658DEST_PATH_IMAGE041
可以视为慢时变信号且满足
Figure 846597DEST_PATH_IMAGE042
为不确定项的上限；
定义纵向速度误差为
Figure 733781DEST_PATH_IMAGE043
，定义滑模函数：
Figure 291802DEST_PATH_IMAGE044
(15)
式中，
Figure 680058DEST_PATH_IMAGE045
；定义估计误差为，
Figure 777939DEST_PATH_IMAGE046
的估计值，构造Lyapunov函数：
Figure 695079DEST_PATH_IMAGE047
(16)
设计控制律为：
Figure 146921DEST_PATH_IMAGE048
(17)
式中，
Figure 73288DEST_PATH_IMAGE049
，可得：
Figure 28606DEST_PATH_IMAGE050
定义纵倾角速度误差为
Figure 647806DEST_PATH_IMAGE051
，定义滑模函数：
Figure 321364DEST_PATH_IMAGE052
(18)
式中，
Figure 785843DEST_PATH_IMAGE053
；定义估计误差为
Figure 720301DEST_PATH_IMAGE054
的估计值；构造Lyapunov函数：
Figure 385769DEST_PATH_IMAGE055
(19)
设计控制律为：
Figure 405678DEST_PATH_IMAGE056
(20)
式中，
Figure 549214DEST_PATH_IMAGE057
，可得：
Figure 603758DEST_PATH_IMAGE058
定义艏摇角速度误差为
Figure 299181DEST_PATH_IMAGE059
，定义滑模函数：
Figure 681752DEST_PATH_IMAGE060
(21)
式中，
Figure 488034DEST_PATH_IMAGE061
；定义估计误差为
Figure 538030DEST_PATH_IMAGE062
的估计值；构造Lyapunov函数：
Figure 404355DEST_PATH_IMAGE063
(22)
设计控制律为：
Figure 398856DEST_PATH_IMAGE064
(23)
式中，
Figure 887124DEST_PATH_IMAGE065
，可得：
Figure 916260DEST_PATH_IMAGE066
海流环境中的三维镇定控制系统原理如图2所示。
仿真结果与分析
接下来为了验证控制器的控制效果，在海流环境中进行了镇定控制仿真，海流的速度为
Figure 563273DEST_PATH_IMAGE076
。在仿真中按照海流的方向分别设置了四种海流环境，分别为海流环境1（海流的方向与
Figure 310649DEST_PATH_IMAGE077
轴相反）、海流环境2（海流的方向与
Figure 599679DEST_PATH_IMAGE077
轴一致）、海流环境3（海流的方向与
Figure 217743DEST_PATH_IMAGE078
轴一致）、海流环境4（海流的方向与
Figure 691449DEST_PATH_IMAGE078
轴相反）。
本发明采用美国Hydroid公司的REMUS-100欠驱动AUV作为仿真模型。AUV的初始位置和姿态为
Figure DEST_PATH_IMAGE079
。运动学控制器主要设计参数分别为：R s =1、∆ θ =5 m、k q =0.1、k r =0.1、k ε1 =0.1、k ε2 =5。动力学控制器的设计参数为：c 1 =1、c 2 =0.5、c 3 =0.5、k 1 =0.1、k 2 =0.2、k 3 =30、k 4 =0.1、k 5 =0.1、k 6 =0.1、k 7 =0.1、k 8 =0.1。
图3（a）至图3（r）是海流环境中三维镇定控制仿真结果图，通过仿真结果图3（a）至图3（r）可以看到，在不同海流环境中AUV最终都能够被镇定到以原点为中心的接收圆内，AUV的艏摇角最终均与海流方向相反（顶流），AUV的深度、纵倾角、速度和舵角最终都收敛到零。因为要克服海流的干扰，所以推进器的转速没有收敛到零。推进器的转速和AUV的纵向速度没有出现负值即后退（倒车）的现象。
仿真结果表明该控制器能够实现欠驱动AUV在海流环境中的镇定控制。
本发明为了实现欠驱动自主水下航行器（AUV）在海流环境中的三维镇定控制。基于运动学和动力学方程将三维镇定控制问题转化为一个非线性系统的镇定问题。首先，应用李雅普诺夫（Lyapunov）理论和反步法（Backstepping）设计了运动学控制器，用于产生期望的速度信号。然后，应用滑模控制（SMC）技术设计了动力学控制器，根据期望的速度信号输出实际的控制信号。仿真结果表明该控制器能够实现欠驱动AUV在海流环境中的镇定控制。
本发明针对一种缺少横向、垂向驱动力和不具备后退（倒车）能力的欠驱动AUV在海流环境中的三维镇定控制问题。通过将欠驱动AUV的三维镇定控制问题转化为一个非线性系统的镇定问题。基于Lyapunov理论和反步法设计了运动学控制器，并基于滑模控制技术设计了动力学控制器。仿真结果验证了在不同海流环境中AUV最终都能够被镇定到以原点为中心的接收圆内，实现了欠驱动AUV在海流环境中的三维镇定控制。
本发明应用李雅普诺夫（Lyapunov）理论和反步法（Backstepping）设计了运动学控制器，基于滑模控制（SMC）技术设计了动力学控制器。实现了欠驱动AUV在海流环境中的三维镇定控制。控制方法简单便于工程应用，仿真结果验证了控制器的有效性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种欠驱动自主水下航行器的三维镇定控制方法，其特征在于，包
括：
应用李雅普诺夫理论和反步法设计三维镇定运动学控制器，用于产生
期望的速度信号；
应用滑模控制技术设计三维镇定动力学控制器，根据期望的速度信号
输出实际的控制信号。
2.根据权利要求1所述的欠驱动自主水下航行器的三维镇定控制方法，
其特征在于，所述设计三维镇定运动学控制器包括：
假设海流在水平面内的方向和速度近似为常值，
航行时间和距离假设是可取的，
欠驱动AUV忽略横摇后，其运动学方程可以简化为如下形式：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
(5)
定义误差变量：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
(6)
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为AUV与稳定点（原点）在水平面内的距离，满足
Figure DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
；
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为接收圆的半径，接收圆的圆心为原点；对
Figure DEST_PATH_IMAGE014
求导可得：
Figure DEST_PATH_IMAGE016
(7)
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
实现欠驱动AUV在海流环境中的镇定控制，包括：
实现AUV的航速最终稳定在零；
实现AUV的深度最终稳定在零；
实现误差变量
Figure DEST_PATH_IMAGE020
最终要小于或等于零；
实现AUV的航速最终稳定在零包括：
设计AUV的期望纵向速度为：
Figure DEST_PATH_IMAGE022
(8)
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE024
；显然，只要AUV进入接收圆以内则
Figure DEST_PATH_IMAGE026
；
实现AUV的深度最终稳定在零包括：
基于视线法导引律设计AUV的期望纵倾角为：
Figure DEST_PATH_IMAGE028
(9)
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE030
为前视距离；假设
Figure DEST_PATH_IMAGE032
，则
Figure DEST_PATH_IMAGE034
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE036
为AUV垂向速度的上限，因为欠驱动AUV的垂向速度很小，所以AUV的深度最终能够收敛到零；
定义误差变量
Figure DEST_PATH_IMAGE038
，构造Lyapunov函数：
Figure DEST_PATH_IMAGE040
(10)
设计AUV期望纵倾角速度为：
Figure DEST_PATH_IMAGE042
(11)
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE044
，假设
Figure DEST_PATH_IMAGE046
，可得
Figure DEST_PATH_IMAGE048
实现误差变量
Figure DEST_PATH_IMAGE050
最终要小于或等于零包括：
构造Lyapunov函数
Figure DEST_PATH_IMAGE052
(12)
设计AUV期望艏摇角速度为：
Figure DEST_PATH_IMAGE054
(13)
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE056
，可得
Figure DEST_PATH_IMAGE058
只要满足
Figure DEST_PATH_IMAGE060
根据误差值按指数函数进行调节，用于减小鲁棒项产生的抖振；
对误差变量
Figure DEST_PATH_IMAGE062
的稳定性进行分析：
假设
Figure DEST_PATH_IMAGE064
，根据关系式
Figure DEST_PATH_IMAGE066
，误差方程（7）可以重新整理为：
Figure DEST_PATH_IMAGE068
(14)
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE070
欠驱动AUV没有垂向的驱动力，其垂向速度w远小于纵向速度
Figure DEST_PATH_IMAGE072
，另外AUV的最大纵倾角一般不超过±45°，所以
Figure DEST_PATH_IMAGE074
是可以被保证的；
Figure DEST_PATH_IMAGE076
是有界的，
Figure DEST_PATH_IMAGE078
的稳定性在控制器中得到保证，所以误差变量
Figure DEST_PATH_IMAGE080
是稳定的。
3.根据权利要求1所述的欠驱动自主水下航行器的三维镇定控制方法，
其特征在于，所述设计三维镇定动力学控制器包括：
不确定项
Figure DEST_PATH_IMAGE082
可以视为慢时变信号且满足
Figure DEST_PATH_IMAGE084
为不确定项的上限；
定义纵向速度误差为
Figure DEST_PATH_IMAGE086
，定义滑模函数：
Figure DEST_PATH_IMAGE088
(15)
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE090
；定义估计误差为，
Figure DEST_PATH_IMAGE092
的估计值，构造Lyapunov函数：
Figure DEST_PATH_IMAGE094
(16)
设计控制律为：
Figure DEST_PATH_IMAGE096
(17)
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE098
，可得：
Figure DEST_PATH_IMAGE100
定义纵倾角速度误差为
Figure DEST_PATH_IMAGE102
，定义滑模函数：
Figure DEST_PATH_IMAGE104
(18)
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE106
；定义估计误差为
Figure DEST_PATH_IMAGE108
的估计值；构造Lyapunov函数：
Figure DEST_PATH_IMAGE110
(19)
设计控制律为：
Figure DEST_PATH_IMAGE112
(20)
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE114
，可得：
Figure DEST_PATH_IMAGE116
定义艏摇角速度误差为
Figure DEST_PATH_IMAGE118
，定义滑模函数：
Figure DEST_PATH_IMAGE120
(21)
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE122
；定义估计误差为
Figure DEST_PATH_IMAGE124
的估计值；构造Lyapunov函数：
Figure DEST_PATH_IMAGE126
(22)
设计控制律为：
Figure DEST_PATH_IMAGE128
(23)
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE130
，可得：
Figure DEST_PATH_IMAGE132
。
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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113050666A (zh) * 2021-03-26 2021-06-29 湖南大学 水下自主航行器深度和纵向解耦控制方法及系统
CN113110527A (zh) * 2021-04-12 2021-07-13 大连海事大学 一种自主水下航行器有限时间路径跟踪的级联控制方法
CN113238567A (zh) * 2021-04-30 2021-08-10 哈尔滨工程大学 一种基于扩展状态观测器的底栖式auv弱抖振积分滑模点镇定控制方法
CN113485122A (zh) * 2021-08-09 2021-10-08 西北工业大学 一种针对柔性捕获的完全包络控制方法
CN113485390A (zh) * 2021-08-26 2021-10-08 湖南大学 一种抗洋流扰动的自主水下机器人动力定位方法和系统
CN114019805A (zh) * 2021-11-17 2022-02-08 九江职业技术学院 一种欠驱动auv的模型预测对接控制方法
CN115542929A (zh) * 2022-10-11 2022-12-30 中国科学院声学研究所 一种欠驱动水下航行器自适应镇定控制方法及系统

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102722177A (zh) * 2012-06-27 2012-10-10 哈尔滨工程大学 具有pid反馈增益的自主水下航行器三维直线路径跟踪控制方法
CN103576693A (zh) * 2013-11-11 2014-02-12 哈尔滨工程大学 基于二阶滤波器的水下机器人三维路径跟踪控制方法
CN105843224A (zh) * 2016-03-25 2016-08-10 哈尔滨工程大学 基于神经动态模型反步法的auv水平面路径跟踪控制方法
US20160334793A1 (en) * 2015-04-09 2016-11-17 University Of New Hampshire POSE DETECTION AND CONTROL OF UNMANNED UNDERWATER VEHICLES (UUVs) UTILIZING AN OPTICAL DETECTOR ARRAY
CN106444794A (zh) * 2016-09-20 2017-02-22 哈尔滨工程大学 一种无参数欠驱动uuv垂直面路径跟踪滑模控制方法
US20170297908A1 (en) * 2014-10-02 2017-10-19 Sergio Fabian Almeida Loya Coupled memristor devices to enable feedback control and sensing of micro/nanoelectromechanical actuator and sencors
CN107424170A (zh) * 2017-06-17 2017-12-01 复旦大学 用于自动探测监控视频中局部异常行为的运动特征描述方法
GB2572458A (en) * 2018-03-28 2019-10-02 Huaiyin Inst Technology An adaptive sliding-mode control method of the permanent magnet synchronous motor based on dynamic surface technology
CN110618606A (zh) * 2019-09-30 2019-12-27 哈尔滨工程大学 一种复合干扰下的欠驱动auv反步自适应模糊滑模控制方法
CN112034865A (zh) * 2020-08-12 2020-12-04 浙江大学 基于优化算法的全驱动水下航行器航迹跟踪控制方法

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102722177A (zh) * 2012-06-27 2012-10-10 哈尔滨工程大学 具有pid反馈增益的自主水下航行器三维直线路径跟踪控制方法
CN103576693A (zh) * 2013-11-11 2014-02-12 哈尔滨工程大学 基于二阶滤波器的水下机器人三维路径跟踪控制方法
US20170297908A1 (en) * 2014-10-02 2017-10-19 Sergio Fabian Almeida Loya Coupled memristor devices to enable feedback control and sensing of micro/nanoelectromechanical actuator and sencors
US20160334793A1 (en) * 2015-04-09 2016-11-17 University Of New Hampshire POSE DETECTION AND CONTROL OF UNMANNED UNDERWATER VEHICLES (UUVs) UTILIZING AN OPTICAL DETECTOR ARRAY
CN105843224A (zh) * 2016-03-25 2016-08-10 哈尔滨工程大学 基于神经动态模型反步法的auv水平面路径跟踪控制方法
CN106444794A (zh) * 2016-09-20 2017-02-22 哈尔滨工程大学 一种无参数欠驱动uuv垂直面路径跟踪滑模控制方法
CN107424170A (zh) * 2017-06-17 2017-12-01 复旦大学 用于自动探测监控视频中局部异常行为的运动特征描述方法
GB2572458A (en) * 2018-03-28 2019-10-02 Huaiyin Inst Technology An adaptive sliding-mode control method of the permanent magnet synchronous motor based on dynamic surface technology
CN110618606A (zh) * 2019-09-30 2019-12-27 哈尔滨工程大学 一种复合干扰下的欠驱动auv反步自适应模糊滑模控制方法
CN112034865A (zh) * 2020-08-12 2020-12-04 浙江大学 基于优化算法的全驱动水下航行器航迹跟踪控制方法

Non-Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
XIAOLIANG ZHANG: "Path Following Control for Static Docking Recovery of an Underactuated AUV in the presence of Ocean Current Disturbances", 《2019 CHINESE CONTROL AND DECISION CONFERENCE (CCDC)》 *
YAO, XULIANG: "Integral vector field control for three‑dimensional path following of autonomous underwater vehicle", 《JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY》 *
YUNBIAO JIANG: "Three-dimensional Path Following for an Underactuated AUV Adopted Adaptive Sliding Mode Control", 《2019 IEEE 15TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON CONTROL AND AUTOMATION (ICCA)》 *
ZHENZHONG CHU: "3D path-following control for autonomous underwater vehicle based on adaptive backstepping sliding mode", 《 2015 IEEE INTERNATIONAL CONFERENCE ON INFORMATION AND AUTOMATION》 *
刘丽萍: "基于海流观测的欠驱动AUV自适应反演滑模轨迹跟踪", 《天津大学学报(自然科学与工程技术版)》 *
朱齐丹: "风浪流干扰及参数不确定欠驱动船舶航迹跟踪的滑模鲁棒控制", 《控制理论与应用》 *
毕凤阳: "欠驱动自主水下航行器的非线性鲁棒控制策略研究", 《中国优秀硕博士学位论文库 工程科技II辑》 *
王晓伟: "欠驱动AUV三维路径跟踪滑模控制", 《控制工程》 *
王金强: "欠驱动AUV自适应神经网络反步滑模跟踪控制", 《华中科技大学学报(自然科学版)》 *
马利民: "欠驱动AUV全局无抖振滑模轨迹跟踪控制", 《智能系统学报》 *

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113050666A (zh) * 2021-03-26 2021-06-29 湖南大学 水下自主航行器深度和纵向解耦控制方法及系统
CN113110527A (zh) * 2021-04-12 2021-07-13 大连海事大学 一种自主水下航行器有限时间路径跟踪的级联控制方法
CN113110527B (zh) * 2021-04-12 2023-12-01 大连海事大学 一种自主水下航行器有限时间路径跟踪的级联控制方法
CN113238567A (zh) * 2021-04-30 2021-08-10 哈尔滨工程大学 一种基于扩展状态观测器的底栖式auv弱抖振积分滑模点镇定控制方法
CN113238567B (zh) * 2021-04-30 2021-12-10 哈尔滨工程大学 一种基于扩展状态观测器的底栖式auv弱抖振积分滑模点镇定控制方法
CN113485122A (zh) * 2021-08-09 2021-10-08 西北工业大学 一种针对柔性捕获的完全包络控制方法
CN113485390A (zh) * 2021-08-26 2021-10-08 湖南大学 一种抗洋流扰动的自主水下机器人动力定位方法和系统
CN113485390B (zh) * 2021-08-26 2022-05-03 湖南大学 一种抗洋流扰动的自主水下机器人动力定位方法和系统
CN114019805A (zh) * 2021-11-17 2022-02-08 九江职业技术学院 一种欠驱动auv的模型预测对接控制方法
CN115542929A (zh) * 2022-10-11 2022-12-30 中国科学院声学研究所 一种欠驱动水下航行器自适应镇定控制方法及系统

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