基于滑模理論的欠驅(qū)動UUV空間曲線路徑跟蹤控制.pdf

1、空間曲線路徑跟蹤控制是欠驅(qū)動自治水下機器人(UUV or AUV:UnmannedUnderwater Vehicle or Autonomous Underwater Vehicle)完成海底探測、海底管道監(jiān)測和光纜維護等使命任務(wù)的重要技術(shù)保障。本課題針對欠驅(qū)動UUV的非完整約束特性,考慮其動力學模型的非線性、各自由度之間的耦合性、水動力參數(shù)的不確定性以及存在非定常海流干擾的特點,對滑?？刂评碚撛谇夫?qū)動UUV空間曲線路徑跟蹤控制中的應(yīng)

2、用進行了深入的研究,主要研究內(nèi)容有以下四部分:
　　 第一部分:針對某型UUV對其運動與建模問題展開研究并對該系統(tǒng)模型進行控制特性分析。
　　 首先,為完善欠驅(qū)動UUV空間六自由度運動模型,建立執(zhí)行機構(gòu)的非線性數(shù)學模型和海流干擾模型。該運動模型不僅包含艇體水動力的非線性項和耦合性項,而且考慮了執(zhí)行機構(gòu)的飽和特性和海流干擾下的平衡點特性,從而提高了數(shù)字化仿真模型的精確性,操縱性仿真實驗驗證了所建立的欠驅(qū)動UUV運動模型的正

3、確性。
　　 其次,針對欠驅(qū)動UUV運動模型,基于非完整系統(tǒng)理論和微分幾何方法,證明欠驅(qū)動UUV屬于二階非完整系統(tǒng),并且具有小時間局部可控性。該系統(tǒng)的特點是:不存在任何光滑時不變的反饋控制使得系統(tǒng)在平衡點漸近穩(wěn)定,但系統(tǒng)在平衡點是小時間局部可控的,從而為欠驅(qū)動UUV運動控制器的設(shè)計奠定了理論基礎(chǔ)。
　　 第二部分:提出基于視線法(LOS:Line of Sight)設(shè)計自適應(yīng)PID控制器,以實現(xiàn)欠驅(qū)動UUV空間曲線路徑跟

4、蹤控制。
　　 首先,針對欠驅(qū)動UUV不存在任何光滑時不變的反饋控制使得系統(tǒng)在平衡點漸近穩(wěn)定的問題,提出基于視線法建立空間路徑跟蹤的運動誤差模型。該方法將欠驅(qū)動UUV位置誤差的跟蹤控制轉(zhuǎn)化為航速誤差、艏向角誤差和縱傾角誤差的漸近穩(wěn)定控制,實現(xiàn)了非完整系統(tǒng)的鎮(zhèn)定控制問題轉(zhuǎn)化為完整系統(tǒng)的鎮(zhèn)定控制問題,從而避開了Brockett定理必要條件的約束,為傳統(tǒng)控制方法在欠驅(qū)動UUV空間曲線路徑跟蹤控制中的應(yīng)用提供了設(shè)計思路。
　　

5、其次,針對常規(guī)PID控制方法參數(shù)調(diào)整不具有智能性且整定參數(shù)較難的問題,提出自適應(yīng)PID方法實現(xiàn)空間曲線路徑跟蹤控制。該方法參數(shù)的整定不依賴于欠驅(qū)動UUV精確數(shù)學模型,且能夠在線調(diào)整以滿足實時控制的要求,同時具有常規(guī)PID控制器結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高的優(yōu)點。欠驅(qū)動UUV在不同航速下的空間正弦曲線路徑跟蹤控制仿真驗證了此方法的有效性。
　　 第三部分:提出基于虛擬向?qū)У牡？刂?ISMC:Iterative Sliding Mode

6、Control)方法,以提高欠驅(qū)動UUV在時變海流干擾下空間曲線路徑跟蹤控制的精確性和魯棒性。
　　 首先,針對基于視線法的空間曲線路徑跟蹤控制存在非連續(xù)跟蹤誤差且容易導致執(zhí)行機構(gòu)飽和的問題,提出基于虛擬向?qū)Х椒ń⒖臻g曲線路徑跟蹤誤差模型。該方法不僅結(jié)合空間曲線特性和欠驅(qū)動UUV運動特性,建立光滑連續(xù)的空間誤差運動模型,而且給定虛擬向?qū)б欢ǖ囊苿铀俣?能夠避免路徑跟蹤的奇異值問題。
　　 其次,針對自適應(yīng)PID控制器難

7、以抑制時變海流干擾的問題,提出基于增量反饋的迭代滑?？刂品椒ㄔO(shè)計空間曲線路徑跟蹤控制器。該方法的滑模迭代設(shè)計思想能夠避免滑模面的切換引起的抖振,增量反饋控制能夠緩解傳統(tǒng)反饋的積分超調(diào)和穩(wěn)態(tài)誤差的矛盾問題,具有很強的魯棒性。時變海流干擾下的空間曲線路徑跟蹤控制仿真實驗驗證了該方法的抗干擾能力。
　　 第四部分:提出基于預(yù)測控制思想設(shè)計離散滑模預(yù)測控制器(DSMPC:Discrete-timeSliding Mode Predict