面向水下搜救的自主水下航行器路径跟踪控制

对自主水下航行器（AUV）在执行水下搜救任务过程中遇到的三维路径跟踪控制和定点驻停问题进行研究。在固定坐标系和机体坐标系下建立AUV的运动学模型，引入流体坐标系，设计适宜进行运动控制的三维路径跟踪控制器，并在Serret-Frenet坐标系下建立AUV的路径跟踪误差模型；基于三维视距制导律控制设计AUV的三维路径跟踪控制器，在此基础上提出一种适于水下搜救工况的AUV路径跟踪控制方法，使AUV能完成对参数化路径的跟踪和在预设目标点的驻停；同时，基于李雅普诺夫稳定性原理证明该控制器的稳定性。仿真试验结果表明，设计的控制器有效，能实现对面向水下搜救的AUV路径跟踪控制。     

AUV均衡系统设计及垂直面运动控制研究

针对AUV传统均衡调节系统存在难以克服的缺陷而无法实用的问题,设计了一种新型液压均衡系统。该系统主要由油箱和安装在AUV轴线上的两个油囊组成,通过调节油箱和油囊的油量来调节AUV的姿态和浮态。同时在简化AUV垂直面运动模型的基础上,构建了深度控制、纵倾控制和浮态控制模型,并基于PID和均衡系统设计了深度控制、纵倾控制和浮态控制方法。仿真结果表明在无干扰和有干扰两种情况下,设计的均衡系统能有效控制AUV的垂直面运动;建立的AUV垂直面运动控制模型符合AUV运行特性;PID控制算法适合海流干扰下的AUV均衡控制,且具有良好的控制品质。     

基于新型趋近律的潜艇垂直面滑模控制仿真

针对潜艇垂直面运动强非线性、耦合性和参数不确定的特点,为更好地实现对潜艇垂直面运动的控制,在Matlab环境下,基于垂直面线性操纵运动模型,考虑舵的动态响应,用首舵控制深度,尾舵控制纵倾角,采用新型趋近律设计滑模控制器并设计了基本的全维状态观测器;同时设计了常规的PID控制器并选取了最佳的PID控制参数,分别在3种情况下对2种控制器控制下的潜艇垂直面运动进行对比仿真。仿真结果表明,滑模控制器比PID控制器具有更好的控制性能和较强的鲁棒性,对实际潜艇的垂直面运动控制有一定的指导意义。     

欠驱动AUV的运动控制技术综述

欠驱动水下机器人由于在减轻系统质量、节约成本和能耗以及提高系统可靠性等方面的优点日益成为研究的热点。尤其是在水下机器人在海洋能源开发中发挥着不可或缺作用的今天,利用少于位形空间维数的控制输入控制欠驱动系统的运动具有非常重要的现实意义。结合水下机器人自身的运动特性,归纳了欠驱动AUV的控制特性,包括本质非线性、欠驱动特性、可控性、约束特性、平衡点特性等。综述了目前欠驱动AUV运动控制技术的主要研究成果,主要包括镇定控制和跟踪控制,并对今后欠驱动AUV的理论与应用发展方向进行了展望。     

全驱动型AUV三维路径跟踪控制系统设计及分析

[目的]为满足全驱动型自主式水下机器人(AUV)水下搜救、回收及海底地貌成像等实际任务需求,研究全驱动型AUV三维路径跟踪控制应用的方法。[方法]阐述自主研发的"探海I型"全驱动型AUV系统组成,研究并建立该AUV推进器、水平面和垂直面控制的数学模型,设计一种新颖的智能积分S面三维路径跟踪控制器,分析设计的控制系统的稳定性,并通过仿真及湖上试验进行验证。[结果]结果表明所开发的AUV运行可靠,设计的控制器能较好地完成三维路径跟踪任务,可满足水下实际任务的需求,[结论]其三维路径跟踪控制器对全驱动型AUV及其他领域的路径跟踪控制应用具有借鉴意义。     

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。     

潜艇深度终端滑模控制技术

潜艇垂直面运动因其强非线性、强耦合性,易干扰等因素的影响,对控制设计要求非常高.基于潜艇垂直面非线性模型,考虑舵的动态响应,用首舵控制深度,尾舵控制纵倾角,分别设计了终端滑模面,采用终端趋近律设计控制器并进行仿真研究.仿真结果表明,该系统具有良好的控制性能和很强的鲁棒性.由于采用连续的控制器,解决了系统的抖振问题.     

带有死区补偿的欠驱动AUV深度控制

由于舵桨联合操控的水下机器人舵机传动系统死区非线性的存在,严重影响了某水下机器人的深度控制效果。文章以该水下机器人为研究对象,同时考虑了其欠驱动的运动特性及外界有界干扰和模型参数摄动,设计了具有自适应补偿功能的PID控制器,利用Lyapunov稳定性理论,证明在该控制器作用下,该控制系统是全局稳定的。最后进行了仿真实验。实验结果表明该控制器具有很好的控制效果,是行之有效的。     

基于干扰观测器的AUV三维路径自适应跟踪控制

针对水下机器人存在环境干扰时的三维路径跟踪问题,设计基于干扰观测器的非线性运动控制器.首先考虑三维空间中给定路径点坐标时的跟踪轨迹生成问题,采用三次样条算法生成二阶可导的跟踪路径,同时基于三维视线导航算法(LOS)生成姿态指令.考虑海流等未知外界干扰和模型参数不确定性对水下机器人运动的影响,采用非线性干扰观测器对干扰和不确定项进行估计,并将反步法和自适应滑模相结合设计运动控制律,解决了不确定干扰估计误差界未知的问题,并保证系统的全局渐近稳定性.最后,通过仿真实验表明该方法能够实现水下机器人的姿态控制,对于模型参数不确定和存在外界干扰的AUV有较好的自适应性和鲁棒性,可以使AUV的运动精确地跟踪期望轨迹.     

基于L1自适应理论的AUV深度控制器设计

[目的]为抑制自主式水下航行器(autonomous underwater vehicle, AUV)运动过程中水动力参数变化和复杂外界环境干扰的影响,针对AUV深度控制通道设计一种自适应控制器。[方法]首先建立AUV系统动力学模型,然后以REMUS AUV系统的纵向控制模型为被控对象设计L1自适应控制器,最后在考虑不同干扰条件下使用Matlab/Simulink对L1自适应控制器进行仿真试验,并与相同环境下PID控制器的效果进行对比。[结果]在受到强外界干扰的条件下,对比PID控制器,L1自适应控制器的控制效果更稳定。且当AUV运动模型中水动力参数发生改变时,L1自适应控制器可以保持稳定。[结论]仿真结果表明,基于L1自适应理论设计的控制器在拥有良好动态响应的同时能够保证抗干扰能力与鲁棒性。     

欠驱动AUV水平面运动的镇定控制设计

通过对欠驱动AUV的水平面三自由度运动方程和轨迹方程的简化分析,设计了一种镇定控制律。基于全局微分同胚坐标变换将欠驱动AUV的数学模型转化为级联形式的非线性系统,并证明了原系统的镇定问题可简化为级联子系统的镇定问题。通过状态反馈控制研究得到镇定控制律,证明了控制律的收敛性,并且进行了镇定仿真实验演示。仿真结果表明控制律的有效性,能够在任意初始条件下实现镇定控制。     

近壁面水动力干扰下的AUV运动控制研究

按自治式水下机器人(AUV)需要接近水下工作站并实现坐落的要求,依据平壁面对AUV水动力干扰的力学机理,建立了AUV在平壁面附近运动时的数学模型,并设计了五个自由度运动PID控制器.在海流影响下,通过系统仿真,实现了AUV的五自由度运动控制和准确坐落,仿真结果验证了控制策略的可行性.     

欠驱动船舶路径跟踪的神经滑模控制

为实现欠驱动船舶在存在风浪流外界干扰和参数摄动条件下的路径跟踪控制,提出一种基于可视距离的神经滑模路径跟踪鲁棒控制器。利用可视距离思想,根据期望路径与当前位置信息,分别设计船舶纵向速度和艏摇角的参考值,并视为镇定位置误差的虚拟控制律,将路径跟踪问题转化为纵向速度和艏摇角的镇定问题;结合神经网络和滑模方法,设计一种新的神经滑模鲁棒控制器,实现了对虚拟控制律的跟踪控制,无需确定参数摄动和外界干扰的上界,避免了控制器容易出现的饱和问题和抖振现象。仿真试验表明,设计的控制器对欠驱动船舶的模型摄动和外界干扰变化不敏感,可以实现路径的理想跟踪。     

基于航行阻力优化的近水面机器人减纵摇控制

[目的]水下机器人(AUV)在近水面航行时,不可避免地会受到海浪的干扰,海浪干扰导致的纵摇和升沉运动不仅会影响AUV的航行姿态,同时也会导致其航行阻力增加,加剧能源的消耗。为实现AUV航行姿态和航行阻力的加权最优,[方法]建立AUV的六自由度模型并进行纵平面运动的线性化。对AUV的纵摇增阻情况进行研究,利用势流理论的方法,推导AUV的纵摇增阻模型。以纵摇增阻为性能指标,确定控制器中的Q矩阵和R矩阵,并设计减小AUV纵摇的线性二次型控制系统(LQR)控制器。[结果]仿真结果表明,加入LQR控制器后,减垂荡和减纵摇效果分别达到46.64%和77.62%,纵摇增阻减小到原来的1/6。[结论]研究结果显示,基于能量优化的LQR控制可实现纵摇增阻和航行姿态的加权最优,节约能量消耗,增加AUV的续航力。     

基于模糊自适应滑模方法的AUV轨迹跟踪控制

针对水下航行环境中自治水下机器人(Autonomous Underwater Vehicles,AUV)航迹精确跟踪问题,提出一种基于模糊自适应滑模方法的AUV航迹跟踪控制算法。在建立AUV系统动力学模型基础上,将其运动通过变结构滑模控制律结合模糊逼近设计出AUV航迹跟踪控制系统,采用模糊系统实现模型未知干扰的自适应逼近,基于Lyapunov稳定性理论,讨论了闭环系统的稳定性。在考虑加入外界干扰的条件下使用Matlab/Simulink软件,进行数值仿真,模拟轨迹跟踪能够达到稳定并且较平滑连续跟踪预定航迹,对干扰有较好的抑制作用。仿真结果表明了所提控制方法的有效性。     

水下航行器三维航迹反演滑模跟踪控制

本文提出一种自治水下航行器(Autonomous Underwater Vehicles,AUV)三维轨迹跟踪控制算法。将AUV在三维空间的运动通过反演法和变结构滑模控制律设计出AUV航迹跟踪控制律,通过Lyapunov稳定性理论分析了系统的稳定性。在同时考虑加入外界干扰的条件下,使其控制效果在3个坐标轴上都能够达到稳定并且有平滑连续的输出结果,对外界干扰有较好的抑制作用。仿真结果表明了所提控制律的有效性。     

欠驱动船舶鲁棒路径跟踪控制器设计

针对欠驱动船舶直线路径跟踪控制系统中存在的外界干扰影响,提出一种鲁棒跟踪控制算法.该控制算法基于重定义输出、解析模型预测控制、高增益观测器等技术,使得欠驱动船舶能够渐近镇定于给定的直线参考路径.计算机仿真实验验证了算法的有效性.所提出的控制器具有良好的控制效果以及对外界干扰的鲁棒性.     

基于积分视线法的船舶自抗扰轨迹跟踪控制研究

通常采用螺旋桨和舵来控制船舶在水平面的三个自由度运动,属于欠驱动控制,其轨迹跟踪控制器的设计具有很大的难度。论文将欠驱动水面船舶的轨迹跟踪问题解耦为转首运动控制和纵向运动控制这两个子控制系统,采用积分视线法确定期望首向角和期望纵向速度,通过Lyapunov稳定性理论证明了控制系统的稳定性;采用自抗扰控制技术中的扩张状态观测器设计首向控制器和纵向运动控制器。通过静水和波浪中的直线轨迹跟踪仿真试验,验证了设计的控制器的有效性。     

基于MPC-DO的自主水下航行器轨迹跟踪控制

针对欠驱动自主水下航行器在速度约束和未知外界环境干扰下的轨迹跟踪问题,提出一种基于模型预测控制算法和干扰观测器的复合控制方案。首先,基于模型预测控制算法设计一种考虑速度极限约束以及速度增量约束的轨迹跟踪运动学控制器。其次,针对海洋作业环境下存在的外界干扰,设计干扰观测器对其进行实时估计,并基于所设计的干扰观测器,设计精确跟踪期望速度的动力学控制器,并对控制方案进行了严格的理论分析。最后,进行数值仿真,仿真结果证实了该控制方案的有效性。     

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。