欠驱动水下航行器三维直线航迹跟踪控制

针对欠驱动水下航行器的三维直线航迹跟踪控制问题,基于虚拟向导建立了三维航迹跟踪误差模型,采用反馈增益反步法设计航迹跟踪控制器,通过合理选择控制器参数消除了部分非线性项,与传统反步法设计相比简化了虚拟控制量的形式,并且能够避免基于视线法设计导引律时存在固有奇异值点的问题.基于李雅普诺夫稳定性理论分析了闭环跟踪误差系统的渐近稳定性.最后将设计的控制器应用于欠驱动水下航行器进行仿真实验,结果表明控制器具有精确的三维航迹的跟踪能力,并对外界干扰和模型参数不确定性具有较好的鲁棒性.

基于反馈增益反步法欠驱动无人水下航行器三维路径跟踪控制

针对欠驱动无人水下航行器的三维空间路径跟踪控制问题.基于虚拟向导建立载体坐标系下的三维路径跟踪运动学误差模型,首先设计跟踪误差反馈增益形式的线性控制项镇定位置跟踪系统,避免计算虚拟控制量导数的复杂形式;然后基于反步法设计动力学控制器,通过合理的选择控制器参数消除了部分非线性项,简化了虚拟控制量的形式,同时避免了采用传统反步法设计控制器时存在的奇异值问题,基于李雅普诺夫稳定性理论设计鲁棒反馈补偿项,保证了闭环跟踪误差系统状态的一致最终有界.仿真实验表明本文设计控制器能够精确跟踪三维曲线路径,并对外界干扰具有较好的鲁棒性.

欠驱动无人水下航行器三维轨迹跟踪的反步控制

针对欠驱动无人水下航行器(underactuated unmanned underwater vehicles,UUVs)三维轨迹跟踪控制问题,本文有别于传统反步法中基于视线法设计姿态角误差变量的思路,提出了一种定义虚拟速度误差变量的反步控制器设计方法,能够有效避免传统反步法控制律设计时存在的奇异值问题,简化了传统反步法复杂的计算过程;设计了欠驱动UUV的三维轨迹跟踪控制器,给出了系统的误差方程,基于Lyapunov稳定性理论证明了系统在定常外界扰动下的鲁棒性和稳定性;仿真结果表明本文提出的UUV三维轨迹跟踪反步控制方法收敛、有效,能够实现欠驱动UUV对时变三维轨迹的精确跟踪控制.

基于高度计信息处理的欠驱动无人水下航行器地形跟踪控制

针对高度测量信息不准确情况下的欠驱动无人水下航行器(UUV)地形跟踪控制问题,结合欠驱动UUV的固有特性,提出了一种基于反步法的非线性海底地形跟踪控制方法。首先,针对高度计受海水温度和盐度等海洋环境的干扰而导致高度测量信息不准确的问题,采用卡尔曼滤波器对高度测量信息进行处理,提高高度信息的准确性;然后,基于Lyapunov稳定性理论和反步法设计了非线性地形跟踪控制器,并证明了控制系统的渐近稳定性;最后,分别通过仿真实验和海试实验对所提出的方法进行验证。结果表明,基于高度信息滤波处理的欠驱动UUV非线性地形跟踪控制器能够实现精确的地形跟踪控制。

饱和输入限制下欠驱动自主水下航行器水平面航迹跟踪控制

针对控制输入存在饱和限制的欠驱动自主水下航行器水平面航迹跟踪问题,提出了一种饱和控制方法。在航迹跟踪误差方程基础上,设计了一种误差信号观测器对原有跟踪误差进行近似,以避免由于跟踪误差直接求导所引起的控制器表达式的复杂化现象;推导得到一种新的误差动力学方程,通过引入一种光滑有界函数作为输入饱和条件的近似,以及一种Nussbaum型偶函数,设计了饱和动力学控制器;根据Lyapunov理论证明了该控制器能够使得自主水下航行器在控制输入饱和限制下,可以实现对任意光滑水平面航迹的跟踪控制,并保证跟踪误差是全局最终一致有界的。仿真实验结果验证了该设计方法是有效的,且对于模型参数误差具有一定的鲁棒性。

基于模型参数不确定的欠驱动非对称自主水下航行器全局镇定控制研究

针对欠驱动自主水下航行器水平面镇定控制过程中存在的模型参数未知等问题,设计一种基于非对称模型的全局反馈镇定控制算法。基于仅知模型参数上下界值的自适应模型参数观测器获取模型参数估计值;通过全局坐标变换,将镇定控制系统解耦为推进子系统和偏航子系统分别进行设计,消除了非对称作用项引起的耦合影响;引入2阶滤波器,使得偏航角速度在推进子系统状态未收敛至零点状态下始终具有持续激励特征,保证镇定误差收敛至零点附近的一个有界区域。李雅普诺夫稳定性分析证明了该控制算法能够在模型参数未知情况下,以任意初始条件实现镇定控制目标。数值仿真实验结果表明,该控制算法是有效的,且具有较好的控制精度和一定对未知环境干扰的鲁棒性。

基于事件触发控制的自主水下航行器预设性能轨迹跟踪控制

文中针对欠驱动自主水下航行器在时变扰动下轨迹跟踪控制以及控制器频繁更新问题,提出基于反步控制和事件触发控制的轨迹跟踪控制算法。首先,针对外界时变干扰问题设计一种扰动观测器进行补偿干扰。其次,将预设性能函数与反步方法结合,保证轨迹跟踪控制的精度与稳态性能,并且使用辅助动力学系统来处理执行器的输入饱和问题。最后,引入事件触发控制机制,降低控制器更新频率及执行器损耗,并通过Lyapunov稳定性定理证明所设计的事件触发控制器能够使系统保持稳定且避免出现Zeno现象。

面向海流扰动和通信时延的欠驱动AUV编队跟踪控制

由欠驱动自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)编队组成的水下探测阵列具有响应快、机动性好、智能化程度高的特点。针对无速度信息传输的多AUV在海流和时延复合扰动下的编队控制问题,提出一种虚拟轨迹、轨迹预测、自适应反演滑模控制技术相结合的编队控制方法。使用领航者的位置信息和期望队形得到跟随者的参考轨迹,并引入虚拟轨迹使其与跟随者参考轨迹有限时间重合,从而得到跟随者的期望位置和速度。在此基础上,使用最小二乘法拟合轨迹曲线进行时延补偿,并通过自适应反演滑模控制技术完成海流干扰下的编队轨迹跟踪。理论分析和仿真结果表明,新方法具有可行性和有效性。

基于主从同步的欠驱动AUV与移动平台水下对接控制

许多应用场合要求水下自主航行器(AUV)与水下移动平台对接来实现能源补充和信息交换功能。针对欠驱动AUV与移动平台的水下对接问题,采用主从式同步跟踪策略,提出AUV接收目标的状态信息并控制自身位置与目标保持一致的控制方法,从而将AUV水下对接的问题转化为AUV与移动目标保持同步运动的问题。在给出移动目标和AUV的水平面线性化动力学模型基础上,设计了在常值海流影响下,欠驱动AUV同步跟踪由卡尔曼算法估计的目标运动轨迹的滑模控制器。使用Lyapunov稳定性理论证明了离散滑模控制器的稳定性,并使用仿真实验验证该控制方案的有效性。

欠驱动UUV级联自适应目标跟踪控制方法研究

研究了欠驱动水下航行器(UUV)目标跟踪控制算法的设计,基于UUV数学模型,设计了一种能够保证系统全局渐进稳定的新型级联自适应目标跟踪控制算法。与通用欠驱动UUV跟踪控制算法的设计不同,该设计考虑了水动力阻尼矩阵中非对角线上元素对控制系统的影响,通过对运动学子系统的虚拟控制来获得欠驱动UUV的纵向期望速度,并结合反步法与李雅普诺夫稳定性分析得到动力学子系统的自适应反步控制律,利用自适应项估计海流产生的慢变环境干扰,进而通过将目标跟踪系统整理成由运动学控制和动力学控制构成的非线性级联系统,为欠驱动UUV目标跟踪提出了一种级联自适应控制算法。应用级联理论证明了整个闭环控制系统的稳定性,并通过仿真验证了该方法的有效性。

基于滤波反步法的欠驱动AUV三维路径跟踪控制

研究了欠驱动自主水下航行器(Autonomous underwater vehicle,AUV)的三维空间路径跟踪控制问题.针对基于虚拟向导建立的三维路径跟踪误差模型,采用滤波反步法设计跟踪控制器,通过二阶滤波过程获得虚拟控制量的导数,避免了直接对虚拟控制量解析求导的复杂过程,同时滤除了高频测量噪声,增加了系统对噪声的鲁棒性.通过设计滤波误差补偿回路,保证了滤波信号对虚拟控制量的逼近精度.基于李雅普诺夫稳定性理论设计鲁棒项,保证了闭环跟踪误差系统状态的渐近稳定.仿真结果表明了该控制器对噪声干扰具有一定的鲁棒性,能够实现对三维路径的精确跟踪.

基于非线性迭代滑模的欠驱动UUV三维航迹跟踪控制

为实现欠驱动无人水下航行器(Unmanned underwater vehicle,UUV)在未知海流干扰作用下的三维航迹跟踪控制,提出一种基于工程解耦思想设计的非线性迭代滑模航迹跟踪控制器.基于虚拟向导的方法,建立UUV空间航迹跟踪误差方程;采用迭代方法设计非线性滑模控制器,无需对UUV模型参数不确定部分和海流干扰进行估计,避免了舵的抖振现象以及减小了稳态误差与超调问题.仿真实验表明,设计的控制器对欠驱动UUV系统的模型参数摄动及海流干扰变化不敏感、且设计参数易于调节,可以实现三维航迹的精确跟踪.

模型不确定时滞欠驱动AUV的模糊变结构控制

为了实现具有时变水动力系数、未建模动态和时滞等不确定性的欠驱动自主水下航行器的鲁棒控制,以变结构控制的切换函数及其变化率为模糊控制器的输入,以变结构控制律的变化率为模糊控制器的输出设计了一个模糊变结构控制器;为了得到更好的性能,引入了压缩扩张隶属度函数,设计一定的模糊规则自适应地调整模糊控制器中的比例因子和量化因子;将该控制器和模糊变结构控制器,准滑模控制器进行了仿真对比,证明本文设计的控制器有更好的性能;最后基于该控制器对具有水动力系数不确定性,未建模动态和控制输入时滞的AUV运动模型进行了数值仿真,结果表明该控制器有很强的鲁棒性,而且控制成本很小,只在某些情况有极弱的抖振.

欠驱动AUV三维路径跟踪滑模控制

针对欠驱动自主水下航行器(AUV)的三维路径跟踪控制问题。基于(Serret-Frenet,S-F)坐标系引入了虚拟向导,并在考虑攻角和漂角的基础上建立了三维路径跟踪运动学误差模型。首先通过引入两个趋近角并根据李雅普诺夫(Lyapunov)理论设计运动学控制器,然后基于滑模控制(SMC)理论设计动力学控制器,从而保证了控制系统的渐近稳定性和鲁棒性。为了降低抖振应用干扰观测器对模型的不确定性进了估计。仿真结果表明该控制器对模型参数的不确定性具有较好的鲁棒性,能够实现对三维路径的精确跟踪。

欠驱动AUV的鲁棒位置跟踪控制

为了实现具有参数不确定性和外界干扰的欠驱动AUV的水平面鲁棒位置跟踪,基于李雅普诺夫理论,使用反步法设计了一个非线性控制器,并利用滑模控制方法提高控制系统的鲁棒性;为了检验该控制器的性能,选择有时变参考速度的正弦曲线作为参考轨迹,在控制输入受限的情况下,对具有参数不确定性和外界干扰的欠驱动AUV系统进行了数值仿真,结果表明本文设计的控制器能很好地实现欠驱动AUV的水平面位置跟踪控制,具有很强的鲁棒性。

欠驱动UUV的空间直线路径跟踪控制

针对欠驱动无人水下航行器(UUV)设计了基于视距导航法的路径跟踪控制方法。采用视距导航法建立欠驱动UUV的路径跟踪误差模型将位置误差控制转换为航速控制、艏向角控制和纵倾角控制,使得路径跟踪问题的输出空间从6个自由度降为3个自由度。对简化的3个自由度设计控制器,并证明了控制器的稳定性。最后以空间平行于x轴的直线为参考路径进行了路径跟踪控制仿真,验证了该方法的有效性。

输入受限下欠驱动AUV轨迹跟踪滑模控制

针对欠驱动自主水下航行器(AUV)在外界干扰和输入受限下水平面轨迹跟踪问题,提出了基于非线性干扰观测器和径向基函数(RBF)神经网络的滑模控制器。首先,将欠驱动AUV运动学模型通过坐标变换转换为误差运动学模型镇定位置误差;其次,利用反步法设计艏摇角虚速度控制律,镇定姿态误差;然后采用非线性干扰观测器对时变海流扰动进行估计,并通过滤波器估计虚拟控制律的导数,避免了虚拟控制律求导引起的"微分爆炸";最后,设计自适应RBF神经网络对欠驱动AUV实际输入进行补偿,通过李雅普诺夫稳定性证明闭环跟踪误差所用信号一致有界。仿真验证了所设计控制器的有效性。

欠驱动AUV的直线航迹跟踪控制

研究了欠驱动自主水下航行器的水平面直线航迹跟踪控制问题。针对传统方法所设计的直线航迹跟踪控制力矩较为复杂的问题,提出了基于级联系统理论的控制力矩设计方法,并通过构造李亚普诺夫函数,推导出了具有全局渐近稳定的控制力矩。方法控制力矩设计简单并具有直观的理论稳定性分析,避免了传统控制方法所设计的控制力矩存在的复杂性问题。最后,仿真结果证明了控制器能保证闭环系统所有状态渐近稳定,达到了欠驱动AUV直线航迹跟踪控制目的,验证了所提出方法的有效性和可行性。

海流干扰作用下欠驱动AUV航路点跟踪控制

针对海流干扰作用下欠驱动自主水下航行器(AUV)的航路点跟踪控制问题,建立了水平面内欠驱动AUV三自由度数学模型,以相对于水流的前向速度和角速度为虚拟输入,设计了航路点跟踪控制的运动学控制律,然后基于反演方法设计了动力学控制律,得到控制力和控制力矩。在航路点跟踪控制仿真研究中,指定AUV依次通过惯性坐标系内一系列航路点,仿真结果表明,所设计的控制律有效,欠驱动AUV能较好的完成航路点跟踪任务,并到达最终目标点。

基于复杂约束条件的欠驱动AUV三维路径规划

为解决欠驱动自主水下航行器(AUV)在复杂水域下的三维路径规划和避碰问题,结合欠驱动的运动特性与自身约束条件,提出一种改进的蚁群结合3次B样条曲线拟合的算法,模拟现实海域环境信息进行水下空间环境建模。针对传统蚁群算法规划出的全局路径转角大、曲折多所造成的欠驱动AUV舵轮使用寿命低的问题,采用垂直面安全域设置的方法,设计基于低崎岖度的适应度函数结合路径长度与平缓度的双边评价体系规划出全局路径。采用3次B样条曲线,基于原型值点及目标点速度矢量约束拟合出一条曲率连续、无碰撞的优化路径。仿真结果表明,在保证收敛速度和全局搜索能力的前提下,所规划的路径合理,满足欠驱动AUV运动条件。