基于扩张观测器的ROV固定时间轨迹控制

针对六自由度遥控无人潜水器（ROV）的轨迹规划控制问题，提出基于固定时间扩张观测器的非奇异积分终端滑模控制方法。建立考虑系统模型不确定性及外界扰动的ROV六自由度数学模型，采用一种基于固定时间收敛的扩张状态观测器，实现对系统集总干扰的准确估计以补偿控制系统的控制律；设计固定时间非奇异积分终端滑模控制器以保证ROV系统的轨迹跟踪性能，并基于Lyapunov稳定性理论证明系统的固定时间稳定性。仿真结果表明：与以往控制方法相比，文章所提方法提高了控制系统的性能及精度，可保证水下机器人在不同初始状态下均能在固定时间内达到轨迹跟踪的效果。     

复杂扰动下水下机器人的轨迹精确跟踪控制

[目的]针对外界复杂干扰下水下机器人三维轨迹精确跟踪控制的问题,提出一种基于有限时间扰动观测器的非奇异终端滑模控制方法.[方法]设计非奇异终端滑模轨迹跟踪控制器,保证跟踪误差在有限时间内精确收敛到零.在外界多维度时变干扰下,设计有限时间扰动观测器,提高系统的抗干扰能力.[结果]利用Lyapunov函数证明所设计控制策略...     

考虑模型偏差和时变扰动的水下机器人轨迹跟踪控制

本文针对考虑模型不确定性和时变外界环境扰动的水下机器人轨迹跟踪问题展开研究。首先基于水下机器人水平面运动学和动力学方程,结合有限时间控制方法设计一个有限时间扰动观测器用于对总扰动进行实时估计。随后基于反步滑模控制完成带扰动观测器的轨迹跟踪控制律设计,并采用二阶滤波器对虚拟控制信号进行过滤,增设滤波补偿系统用于保证滤波信号的精度。选择高增益扰动观测器和传统反步滑模控制器分别作为扰动观测器和控制器的对比项。最后在Matlab Simulink平台中进行了轨迹跟踪仿真实验。仿真结果表明,所设计的扰动观测器能够对总扰动实现快速且准确的观测估计,且水下机器人能够对目标轨迹能实现较好的跟踪效果。本文所设计的控制器可以使水下机器人快速地跟踪上目标轨迹,且相较于传统反步滑模控制器有着更小的跟踪误差。     

未知扰动下的无人艇编队优化轨迹跟踪控制

[目的]针对水面无人艇（USV）编队轨迹跟踪中存在的未知扰动和队形变化问题,提出一种基于有限时间扰动观测器的最优反步控制（FDO-OBC）方法。[方法]首先,基于虚拟结构法,建立无人艇编队控制框架,并设计运动学和动力学编队控制器;其次,设计有限时间扰动观测器,实时估计补偿未知环境扰动;然后,针对编队队形变化的轨迹跟踪问题,提出基于最优反步控制的动态轨迹优化策略,利用扰动观测器信息来计算最优控制输入,实现无人艇编队轨迹跟踪的动态优化;最后,采用李雅普诺夫稳定性理论证明该编队控制方法的稳定性。[结果]仿真对比结果表明,FDO-OBC策略可有效提高无人艇编队系统的精确性和鲁棒性。[结论]对于面向扰动环境下的无人艇编队控制系统设计,FDO-OBC方法提供了一种新的技术手段。     

状态受限下的水下履带式清淤机器人轨迹跟踪控制北大核心CSCD

[目的]针对桥梁建设中运用履带式清淤机器人进行沉井清淤时易出现附着力不足而打滑的工程问题,设计基于障碍Lyapunov函数(BLF)的轨迹跟踪控制器。[方法]考虑到轨迹跟踪控制器算法质心与几何中心不重合的情况、外界未知有界扰动的影响和系统动态不确定性,建立运动学及动力学运动模型。利用终端滑模观测器(TSMO)在有限时间内逼近外界扰动和系统动态不确定性。通过时变对称有限时间BLF稳定性分析,验证控制系统的稳定性,同时限制系统速度状态以防止控制失效。[结果]仿真结果表明,履带式清淤机器人在所设计的控制器控制下能够平滑且快速地到达期望的轨迹。[结论]研究结果证明了所用方法可以将机器人系统的速度状态限制在符合工程实际的区间内。     

基于FTESO和漂角补偿的船舶航向滑模控制

[目的]为提高水面欠驱动船舶的航向跟踪性能,减小航向误差,研究一种基于有限时间扩张状态观测器（FTESO）的船舶航向滑模控制方法。[方法]首先,采用预滤波器减小船舶转向时较大的航向变化率影响,利用扩张状态观测器对时变漂角进行估计,然后通过估计出的漂角及时修正航向误差。为简化控制器设计,艏摇方向上的外部扰动和内部不确定项由观测器同时估计,并在控制器设计中进行补偿。选取含积分项的滑模面,结合FTESO设计滑模控制律,并考虑输入饱和约束,最终通过李雅普诺夫理论证明控制系统的稳定性。[结果]仿真结果显示,所研究的控制方法使水面船舶能够在较短的时间内减小航向跟踪误差并收敛至0。[结论]研究成果可为水面船舶航向跟踪控制设计提供参考。     

面向过驱动UUV推进器容错控制的非线性观测自适应推力分配

[目的]为了研究水下无人航行器（UUV）动力定位过程中受到外界时变干扰以及推进器故障时的控制方法,提出可实现推进器容错控制的非线性观测自适应推力分配策略。[方法]首先基于幂次滑模方法进行UUV动力定位控制器设计,并采用非线性观测器实现对外界环境干扰的有效估计;然后结合外界扰动估计值以及故障模式下的状态偏差序列构建二次规划问题,对其求解获得各推进器的效率因子,以修正推力分配矩阵,从而实现推进器容错下的自适应推力分配。[结果]仿真结果显示,UUV控制系统能够有效估计外界环境干扰以及各推进器效率因子,即使部分推进器出现故障,UUV仍能降格完成动力定位任务。[结论]研究表明所提出的自适应推力分配策略及滑模控制算法合理,适用于存在外界环境干扰以及推进器故障的复杂工况。     

带扰动观测器的欠驱动水面无人船轨迹跟踪控制

为实现三自由度欠驱动水面无人船在未知外界扰动下的轨迹跟踪,本文设计一种带扰动观测器的反步法轨迹跟踪控制器。首先,构造扰动观测器估计未知扰动,对纵荡以及首摇2个自由度方向上的控制量进行前馈补偿。然后,为增强系统抗扰动能力并加快误差收敛速度,将水面无人船位置误差的积分项引入控制系统,分别在运动学和动力学回路中构造虚拟控制律镇定跟踪误差,过程中结合神经动态模型技术,解决了传统反步法的微分爆炸问题,同时有效避免了控制过程中的控制不连续问题。最后,仿真实验验证了所设计控制器的有效性。     

作业型ROV矢量推进建模及推力分配方法

为了研究矢量推进遥控水下机器人(Remotely Operated Vehicle, ROV)的推力分配方法,根据总体结构中推进器的空间分布关系,推导出推进器推力和作用于ROV本体上合推力之间的关系,进而建立了一种过驱动ROV矢量推进系统的数学模型。在Matlab中构建了ROV运动控制的仿真模型,通过直接推力分配法验证了目标ROV矢量推进系统数学模型的准确性。提出了一种将六自由度控制量归一化和伪逆法结合使用的综合推力分配方法,通过仿真验证了该方法可有效解决直接伪逆法出现的推进器饱和问题,可直接应用于解决矢量推进水下机器人运动控制的工程问题。     

基于固定时间扩张状态观测器的底栖式AUV点镇定控制

[目的]针对受未知干扰和不确定性因素影响的底栖式自主水下航行器（AUV）点镇定控制问题,设计一种基于固定时间扩张状态观测器（FTESO）的固定时间反步控制器。[方法]首先,根据AUV点镇定跟踪误差模型提出一种固定时间扩张状态观测器,用于估计未知的集中扰动以及不可测量的速度,并使观测误差在固定时间内收敛至0;然后,在上述观测器的基础上使用反步法设计一种固定时间点镇定控制器;最后,通过加入一阶滤波器,解决反步控制器固有的“复杂性爆炸”问题,并通过李雅普诺夫稳定性分析证明闭环控制系统的半全局固定时间一致最终有界性。[结果]经仿真分析,验证了所提方案的可行性和优越性。[结论]研究表明所提方案可以解决受未知干扰与不确定性因素影响下的底栖式AUV的点镇定控制问题,并能提高控制系统的收敛时间。     

负浮力四倾转推进器水下机器人姿态跟踪控制

负浮力四倾转推进器水下机器人(NQTAUV)的姿态控制受到各种干扰的影响,导致姿态跟踪误差。为了实现干扰的估计与补偿,进行精确的姿态跟踪,设计干扰观测器和姿态控制器。首先,建立姿态跟踪误差模型,基于抗干扰控制理论,设计干扰观测器估计干扰,然后设计姿态跟踪控制器,并在三自由度实验平台上进行姿态跟踪实验。比较干扰观测器激活和关闭情况下,跟踪正弦信号的性能。实验结果表明,干扰观测器能够准确估计干扰,控制器能够对干扰进行补偿,实现了高精度的姿态跟踪。研究结果显示,基于干扰观测器的姿态跟踪控制能够对干扰进行补偿,提高了姿态跟踪精度。     

带扰动观测器的船舶轨迹跟踪自适应动态面滑模控制

针对遭受未知外部环境扰动的三自由度全驱动船舶轨迹跟踪控制问题,设计一种带扰动观测器的自适应动态面滑模控制方法。该方法构造扰动观测器估计未知扰动,并对控制量进行前馈补偿,采用σ修正泄漏项的自适应律估计扰动观测误差的界以提高控制精度,结合动态面技术解决传统反演法的微分爆炸问题,并选取李雅普诺夫函数证明该控制器可保证闭环系统内所有信号的一致最终有界性。基于一艘供给船舶进行仿真试验,结果表明,所设计的控制器输出合理有效且跟踪精度高,在工程实际中具有一定的参考价值。     

基于多电机协同推进的遥控水下航行器姿态控制研究

[目的]为了提高遥控水下航行器（ROV）在复杂水下环境中的姿态控制性能,开展多电机协同推进的ROV姿态控制研究。[方法]首先,针对多电机系统的结构和算法,分别提出一种基于PID速度补偿器的偏差耦合结构和一种新型非奇异终端滑模控制（SMC）算法,并设计一种新颖的基于多电机协同推进的ROV姿态控制方法;然后,建立ROV的运动学和动力学模型,开展推进器组推力建模分析、解耦简化ROV动力学模型研究;最后,设计一种ROV滑模姿态控制器。[结果]仿真结果表明,所提的结构和算法可提高多电机系统的抗干扰性、同步性和快速响应能力,进而提高ROV姿态控制系统的稳定性与鲁棒性。[结论]所提方法可为ROV姿态控制提供一种新的可用方案。     

ROV attitude control based on multi-motor cooperative propulsion北大核心CSCD

[目的]为了提高遥控水下航行器(ROV)在复杂水下环境中的姿态控制性能,开展多电机协同推进的ROV姿态控制研究。[方法]首先,针对多电机系统的结构和算法,分别提出一种基于PID速度补偿器的偏差耦合结构和一种新型非奇异终端滑模控制(SMC)算法,并设计一种新颖的基于多电机协同推进的ROV姿态控制方法;然后,建立ROV的运动学和动力学模型,开展推进器组推力建模分析、解耦简化ROV动力学模型研究;最后,设计一种ROV滑模姿态控制器。[结果]仿真结果表明,所提的结构和算法可提高多电机系统的抗干扰性、同步性和快速响应能力,进而提高ROV姿态控制系统的稳定性与鲁棒性。[结论]所提方法可为ROV姿态控制提供一种新的可用方案。     

基于扩张状态观测器的双桨推进无人艇抗干扰目标跟踪控制

[目的]针对无人艇(USV)的模型不确定性和未知海洋环境扰动,提出一种基于扩张状态观测器(ESO)的双桨推进无人艇抗干扰目标跟踪控制算法.[方法]在运动学层级,设计基于平行接近制导原理的目标跟踪制导律;在动力学层级,针对模型不确定性和未知环境扰动,设计基于ESO的纵荡速度和艏摇角速度自抗扰控制律,以减小模型不确定性和环...     

基于扰动观测器的动力定位船终端滑模航迹跟踪控制

针对具有输入饱和限制的非线性不确定动力定位船设计了一种基于扰动观测器的终端滑模(TSM)航迹跟踪控制算法。首先,为解决系统时变外部干扰与模型参数不确定问题,设计了一种终端滑模干扰观测器,该观测器可以保证所得到的估计误差在有限时间内收敛到零,进而提出了一种基于扰动观测器的终端滑模航迹跟踪控制律,该控制律可以保证动力系统在不确定输出上下界情况下给出合理的控制指令,并利用有限时间Lyapunov稳定性理论证明了在所设计的控制律下闭环系统所有状态在有限时间内收敛。最后,动力定位船舶的航迹跟踪控制仿真试验研究验证了该控制算法的有效性。     

多自主式水下航行器轨迹精准跟踪控制方法

针对多自主式水下航行器轨迹跟踪控制中的不确定性问题,研究多自主式水下航行器轨迹精准跟踪控制方法。构建基于灰色预测的轨迹精准跟踪控制模型,利用灰色预测模型预测航行器航向角,构建一元多项式回归模型,拟合航行器初始航向角同预测航向角间的残差,优化灰色预测模型,提升航行器航向角预测精度。将航向角预测结果代入PID控制器内,通过计算航向角控制率确定位置误差、速度误差与加速度误差,通过控制上述误差实现航行器轨迹准确跟踪控制。实验结果显示该方法可在航行器不同运动特性下准确跟踪轨迹,并具有较好的控制效果。     

多领航者导引无人船集群的分布式时变队形控制

[目的]针对含有模型高度不确定性和未知海洋环境扰动的无人船集群,研究多领航者导引的欠驱动无人船(USV)集群的分布式时变队形控制问题。[方法]首先,在运动学层级,基于包含策略和路径操纵原理,设计时变队形分布式制导律;然后,在动力学层级,针对USV航行中存在的模型不确定性以及未知海洋环境扰动,设计基于扩张状态观测器(ESO)的前向速度和艏摇角速度控制律,减小模型不确定性和未知海洋环境扰动带来的影响;最后,进行级联系统稳定性分析和控制器有效性的仿真验证。[结果]研究表明,无人船集群采用的分布式时变编队闭环控制系统输入状态稳定,仿真结果证明了控制方法的有效性。[结论]所提出的控制器可以使无人船集群形成预定的时变编队队形,并跟踪多领航者形成的凸包。     

海洋工程船推力分配策略

阐述一种处理全回转推进器之间水动力干扰问题的方法。推力分配策略以能量消耗低、首向最优、推力误差小、最小化推进器最大推等为目标建立优化函数,综合考虑到推进器物理条件限制而设置动态推力区域,考虑到全回转推进之间水动力干扰而采用在推力禁区内限制推进器最大推力的方法。最后使用序列二次规划解决以上问题。仿真结果表明,限制推进器禁区内最大推力的方法降低了能量消耗,减少了推进器机械磨损,对于推力分配策略选取是一种合理有效的选择。     

Finite-time ship formation control based on extended state observer北大核心CSCD

[目的]为了解决大多数船舶编队控制算法控制周期长和时效性差的问题,提出一种基于扩张状态观测器(ESO)的有限时间控制策略。[方法]采用一种非线性终端滑模算法,通过对控制律分区域设计,克服传统终端滑模存在的奇异性问题;将非线性终端滑模与图论结合,实现有限时间的船舶编队控制;利用扩张状态观测器观测并补偿船舶模型中的不确定性及外界的干扰,以保证船舶编队控制的精确性;运用Lyapunov理论验证船舶编队控制律的稳定性。[结果]仿真结果表明,采用所提控制策略使整个编队系统误差在5 s左右趋近于0,从而实现了稳定。[结论]该控制策略能有效控制船舶编队,且控制速度快、时效性好。