欠驅(qū)動無人水下航行器三維路徑跟蹤反步控制方法研究.pdf

1、欠驅(qū)動水下航行器(underactuatedunderwatervehicle,UUV)由于未配置橫向和垂向的輔助推進器,使得系統(tǒng)的控制輸入數(shù)目小于系統(tǒng)的運動自由度維數(shù),不滿足Brockett定理的必要條件,無法通過設計連續(xù)時不變的反饋控制律實現(xiàn)對欠驅(qū)動自由度狀態(tài)的鎮(zhèn)定;UUV在水下三維空間的六自由度運動形式,使得模型具有較高的非線性特性和自由度之間的耦合作用,同時受到周圍流體作用導致模型參數(shù)的不確定性,都成為UUV運動控制技術(shù)研究的難

2、點;本文針對欠驅(qū)無人水下航行器的變深控制和三維路徑跟蹤控制方法開展研究,主要進行了以下幾方面研究工作:
　　首先,針對UUV變深控制問題,基于反饋增益反步法設計變深控制器,通過合理選擇控制器參數(shù)消除部分非線性耦合項,簡化虛擬控制量的形式,得到具有PID增益調(diào)節(jié)的控制器形式;結(jié)合李雅普諾夫穩(wěn)定性理論,分析UUV存在建模不精確時閉環(huán)系統(tǒng)的魯棒性,并給出系統(tǒng)跟蹤誤差的收斂域范圍;
　　然后,為解決UUV變深控制中的模型的不確定性,

3、提出基于神經(jīng)網(wǎng)絡的動態(tài)面控制方法,通過一階濾波器獲得虛擬控制量的導數(shù)信號,避免了直接對虛擬控制量解析求導所導致“計算膨脹”的不足,基于李雅普諾夫穩(wěn)定性理論設計神經(jīng)網(wǎng)絡控制器實現(xiàn)對模型不確定性的補償;
　　其次,針對欠驅(qū)動UUV三維直線路徑跟蹤問題,根據(jù)離散路徑點坐標信息計算得到參數(shù)化的空間直線路徑方程,提出基于“虛擬向?qū)А备櫜呗越⑤d體坐標系下的UUV三維路徑跟蹤誤差方程;基于反步法將控制器設計分解為運動學控制回路和動力學控制回

4、路,進而簡化控制器設計步驟,基于李雅普諾夫穩(wěn)定性理論設計魯棒控制項保證閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性;仿真實驗實現(xiàn)了對分段直線路徑的跟蹤控制;
　　再次,為簡化三維曲線路徑跟蹤控制器,針對欠驅(qū)動UUV三維路徑跟蹤運動學誤差方程,提出基于反饋增益的反步法設計三維曲線路徑跟蹤控制器,避免了基于“視線法”設計視線角導引律時所導致控制器的復雜形式;通過引入跟蹤誤差的積分信號,改善控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)跟蹤性能;
　　最后,針對UUV三維曲線路徑跟蹤控制問