AUV控制系統(tǒng)中非線性觀測器設(shè)計方法研究.pdf

1、自主水下航行器（AUV：Autonomous Underwater Vehicle）在民用和軍用領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用前景，已成為當(dāng)前國內(nèi)外研究的一個熱點。隨著AUV應(yīng)用范圍的擴廣，其執(zhí)行作業(yè)任務(wù)程度越來越復(fù)雜，對AUV控制性能指標(biāo)的要求也越來越高。由于AUV系統(tǒng)本身具有強耦合、強非線性、模型參數(shù)攝動、易受外界環(huán)境（海浪、海流等）干擾等特性，這些復(fù)雜特性大大提高了AUV控制系統(tǒng)設(shè)計的難度。因此，需采用高效的控制策略方能滿足AUV對于其控

2、制高精度性能指標(biāo)的需求。
　　非線性觀測器作為控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，其不僅可以根據(jù)有效的測量信息觀測出系統(tǒng)不可測的狀態(tài)信息，還具有觀測環(huán)境干擾，濾除高頻測量噪聲等作用，是提高非線性、耦合、擾動系統(tǒng)魯棒性的有效方法。本文重點對AUV定速、航向、定深控制中非線性觀測器的設(shè)計進行深入的研究。
　　首先，深入研究了AUV動力學(xué)和運動學(xué)模型，建立了AUV的六自由度數(shù)學(xué)模型，包括海流、環(huán)境干擾力下的模型。為研究方便，把AUV六自由度模型解

3、耦為兩個輕微耦合的子系統(tǒng)：水平面模型和垂直面模型。通過仿真試驗，驗證了解耦后的水平面和垂直面模型的正確性。
　　然后，詳細介紹了一種不依賴于被控對象精確模型的非線性觀測器—非線性擴張狀態(tài)觀測器（NESO: Nonlinear ExtendedState Observer）。以AUV水平面模型為研究對象，深入研究了在AUV定速、航向控制中NESO的設(shè)計。NESO可以實現(xiàn)對被控對象位置、速度、總和干擾的觀測，通過對干擾的補償，提高了被

4、控系統(tǒng)對環(huán)境干擾的魯棒性。通過仿真試驗，驗證了在AUV定速、航向控制系統(tǒng)中所設(shè)計NESO的有效性。
　　其次，介紹了一種依賴于被控對象標(biāo)稱模型的非線性觀測器—非線性龍伯格狀態(tài)觀測器（NLSO: Nonlinear Luenberger State Observer），并對其穩(wěn)定性進行了簡要分析。NLSO可以利用有效的位置測量信息重構(gòu)出AUV的不可測狀態(tài)、實現(xiàn)對作用在系統(tǒng)上的外界環(huán)境的估計，同時還具有降低由測量元件引入的高頻測量噪聲

5、影響的作用。通過對AUV水平面模型運動控制仿真實驗，驗證了所設(shè)計NLSO的上述功能。
　　最后，研究了AUV垂直面運動控制中非線性觀測器的設(shè)計。把AUV垂直面模型簡化為一個定深控制模型，以此模型為被控對象，分析和驗證了NESO在其應(yīng)用中的不足之處，借鑒NESO中以飽和函數(shù)估計干擾的設(shè)計思想，改進了NLSO。將NLSO與NESO相結(jié)合共同組成AUV定深控制中的非線性觀測器環(huán)節(jié)，補償了各自的不足。通過仿真，驗證了NLSO-NESO方法