基于积分滑模的欠驱动UUV地形跟踪控制

针对参数摄动以及外界环境扰动条件下欠驱动水下无人航行器(UUV)地形跟踪控制任务,提出了一种基于反步法(Backstepping)和积分滑模控制方法(ISMC)的地形跟踪控制策略。首先,利用航行器的运动学特性以及局部Serret-Frenet坐标系,建立UUV地形跟踪误差方程。然后,分别采用反步法和ISMC设计运动学控制(制导律)和动力学控制器。利用有限时间稳定性理论证明该地形跟踪控制策略作用下的闭环运动系统为全局有限时间收敛的。仿真结果表明,所提出的地形跟踪控制策略可以有效地实现地形跟踪任务,并且对于参数摄动以及外界干扰具有很强的鲁棒性。

参数摄动下基于积分滑模的欠驱动UUV轨迹跟踪控制方法

针对参数摄动下欠驱动无人水下航行器(UUV)水平面轨迹跟踪控制问题,提出了一种基于积分滑模的轨迹跟踪控制方法。该方法利用航行器的运动特性建立轨迹跟踪误差方程,结合反步法和积分滑模控制方法,分别设计了1阶积分滑模纵向速度控制器和偏航角速度控制器,实现了参数摄动下水平面轨迹跟踪并证明了系统的稳定性。仿真结果表明,所提出的轨迹跟踪控制方法可以有效地完成轨迹跟踪任务并且对参数摄动具有很强的鲁棒性。

基于自适应反步法的欠驱动UUV空间路径点跟踪控制

解决了一类欠驱动UUV系统在空间6自由度运动中的路径点跟踪控制问题。首先采用拉格朗日方程的形式,建立UUV的6自由度运动学模型和动力学模型,并基于Line-of-sight法建立欠驱动UUV的路径点跟踪误差模型;然后提出了基于反步法设计满足动力学限制的综合控制器,设计自适应律以抵消海流的干扰,并基于Lyapunov理论证明了所设计控制器的稳定性;最后仿真结果验证了该控制器的有效性,实现了欠驱动UUV三维空间的路径点跟踪控制。

基于线性ADRC的欠驱动UUV深度控制器设计

为了改善欠驱动Unmanned Underwater Vehicle(UUV)在复杂环境下的深度控制品质,将线性自抗扰控制技术应用到其深度控制中。首先,利用线性扩张状态观测器估计出系统的未知"总合干扰",并进行动态反馈补偿,将系统简化为标称模型;然后,在标称模型基础上设计控制器;最后,通过引入饱和限幅环节和死区环节对控制器进行修正。对比级联反馈控制器,线性自抗扰控制器在常值干扰、一阶高频波浪力干扰、低频正弦干扰下,有更好的动静态特性和鲁棒性。与传统的非线性自抗扰控制器相比,线性自抗扰控制器在保证控制性能的前提下,具有可调参数少、易于工程实现的优点。

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。

基于非奇异终端滑模的欠驱动UUV航迹跟踪控制

针对欠驱动UUV在模型参数数摄动以及未知恒定海流(对控制器而言)干扰下的水平面直线航迹跟踪控制问题,提出了一种基于非奇异终端滑模的航迹跟踪控制控制策略。首先,利用离散航迹点,规划出期望航迹;然后,基于视线法(LOS)以及Serret-Frenet坐标系,建立起航迹跟踪制导律;进而,将航迹跟踪控制问题转化为航向角的镇定问题。利用非奇异终端滑模控制方法,设计出全局有限时间收敛的动力学控制器。仿真实验结果表明:该跟踪控制策略可以精确地执行水平面直线航迹跟踪任务;对于模型参数摄动以及未知恒定海流,所设计的控制策略具有强鲁棒性。

基于预设性能的欠驱动UUV有限时间路径跟踪控制

为实现参数摄动、海流扰动条件下欠驱动水下无人航行器(underwater unmanned vehicle,UUV)安全执行路径跟踪控制任务,提出一种基于预设性能、改进视线制导律(improved line-of-sight,IMLOS)和非奇异终端滑模(nonsingular terminal sliding mode,NTSM)的路径跟踪控制策略。首先,引入Serret-Frenet坐标系建立跟踪误差方程,引入预设性能函数对跟踪误差进行约束及转换;然后,设计基于预设性能的海流补偿制导律和动力学控制器,确保航行器跟踪期望路径的同时确保航行安全;最后,利用有限时间理论证明该路径跟踪控制策略作用下的闭环运动系统的跟踪误差是有限时间收敛的。通过数值仿真验证所提出的路径跟踪控制策略能够有效地执行欠驱动UUV在参数摄动、海流扰动等约束下的路径跟踪任务,且跟踪误差始终处于预设性能范围之内,可有效地保证航行器的航行安全。

面向目标搜寻的多UUV编队协调控制

针对多水下无人航行器(UUV)抵近海底的目标搜寻任务,提出了面向目标搜寻的多UUV协调编队控制方法;首先,控制UUV编队进行地形跟踪,实现对海底环境的大面积扫描;在声呐探测到可疑目标后,UUV开始下潜并进行队形收缩进而实现目标的精确定位;在设计控制方法过程中,提出了分散式控制策略,将单个UUV的路径跟踪控制问题与多UUV间的协调问题解耦;其中,利用基于反演的自适应滑模控制算法设计单个UUV路径跟踪控制器,使得路径跟踪误差E(t)渐进趋于无穷小;并将基于虚拟领航者的改进人工势场法引入多UUV编队协调过程,通过控制虚拟领航者的运动间接控制整个编队的运动,实现编队稳定;通过仿真实验验证了文中所提出方法能够控制多UUV实现抵近海底的目标搜寻任务。

海流干扰下的多UUV编队路径跟踪

论文主要研究多UUV编队在海流干扰下进行空间曲线路径跟踪的问题,并将其分为单个UUV的路径跟踪和多UUV编队协调控制两个子问题,提出了结合编队协调策略的跟踪方法。在路径跟踪问题中,设计了海流观测器以得到未知的恒定海流速度,并将其视为对UUV运动的外界干扰,基于此进一步构建了UUV运动学路径跟踪器。利用Lyapunov理论证明了系统轨迹在观测器和非线性控制律作用下的有界性和收敛性。在多UUV编队协调控制中,将控制问题转化为图论的形式,利用图论的相关理论对信息协调同步策略进行分析,基于编队协调策略设计了协调控制器,实现编队稳定,仿真验证了该算法是有效可行的。

UUV接近跟踪过程中的目标跟踪控制方法研究

接近跟踪是指水下无人航行器(Unmanned Underwater Vehicle,UUV)在特定任务背景下,为达到预定的接近目标的目的而控制水下无人平台采用一定的航速、航向及深度实施有效接近的机动过程。接近跟踪是UUV完成一系列典型任务的基本前提,因此对于UUV接近目标的跟踪控制方法的研究具有理论意义和工程现实意义。本文以欠驱动UUV为研究对象,在接近水下机动目标的任务背景下,基于可信导引信息,对水平面内的欠驱动UUV在接近跟踪过程中的目标跟踪控制方法进行了研究,并基于反步控制法以及李雅普诺夫稳定性理论设计了跟踪控制器,使被控UUV能够准确地进行轨迹跟踪从而达到跟踪动态目标的目的。

基于反步法的欠驱动UUV的3维路径跟踪控制

研究了欠驱动无人水下航行器(unmanned underwater vehicle,UUV)在3维空间中的路径跟踪控制器设计及其稳定性分析问题.首先建立2阶积分器形式的欠驱动UUV空间6自由度运动模型和动力学模型.针对该运动模型,以位置误差作为虚拟控制变量,基于反步法(backstepping)设计路径跟踪控制器.根据李亚普诺夫理论,在理论上证明了所设计的路径跟踪控制系统是稳定的.该控制器实现了欠驱动UUV 3维空间的路径跟踪控制.仿真结果验证了控制器的有效性.

速度信息缺失下的多无人艇协同编队控制方法

针对一组欠驱动无人艇协同编队在航行中跟随艇无法获得领航艇的速度信息问题,提出一种基于改进线性扩展状态观测器(ILESO)的多无人艇协同编队控制方法:首先,考虑到速度传感器故障或通信断开时领航艇的速度信息难以获得,设计ILESO实时估计未知速度信息;其次,在此基础上结合领航-跟随下多无人艇协同编队误差模型,利用backstepping和李雅普诺夫理论设计编队控制律,同时将横向速度误差与相对艏向误差看做同一子系统一同镇定,巧妙地将不能直接补偿的横向力转移到可直接控制的转艏力矩上;最后,利用李雅普诺夫稳定性理论证明整个协同编队是全局一致有界稳定的。仿真结果验证了该方法是稳定有效的。