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欠驱动AUV水平面轨迹跟踪控制算法研究

蒋沛立  
【摘要】:随着人类社会的不断进步和发展,对于海洋的开发与利用显得尤其重要,海洋作为世界上蕴含资源最多的地方,无时无刻不在吸引着人们的探索。在最近的几十年里,自主水下航行器(AUVs)由于在许多领域,包括海洋勘探、海洋制图、水下管道检查、科学和军事等任务中的广泛应用,从而成为了诸多海洋研究工作的焦点。由于AUV的模型特性(非线性、耦合性、不确定性),在实际应用中水下存在的诸多外界干扰,以及大多数AUV为了减轻重量等考虑都采用了欠驱动的形式,这些都使得AUV的控制系统设计成为了其发展道路上的最大难点之一。所以对欠驱动AUV的鲁棒控制研究是很有必要的。首先本文建立了欠驱动AUV的六自由度运动学以及动力学模型,并基于文献,同时考虑参数不确定性,建立了欠驱动AUV的水平面标称运动模型和参数不确定模型。其次,针对具有参数不确定性的欠驱动AUV水平面轨迹跟踪问题,设计了一种终端滑模控制器,并用李雅普诺夫稳定性理论证明了该控制系统的闭环稳定性。并对两种模型进行了相应的数值仿真。仿真结果表明,即使存在参数不确定性,所提出的控制器也能较好的跟踪所给出的期望轨迹,证明了所提出控制策略对参数不确定性具有良好的鲁棒性。接着,针对可能存在的外界干扰(洋流,波浪等),提出了利用滑模干扰观测器来补偿外界干扰,提出了齐次高阶滑模干扰观测器和基于自适应super-twisting算法的滑模干扰观测器两种方案,利用数值仿真对它们做出了比较。针对系统状态误差在远离平衡点时的有限时间收敛设计了一种快速终端滑模控制器。并将控制器与观测器结合,在具有外界干扰的情况下做了相应的数值仿真。仿真结果表明,即使存在外界干扰,AUV也能很好的跟踪给定的轨迹。并且该控制方案能使状态误差快速收敛到零。证明该方案具有良好的控制性能且对外界干扰具有较强的鲁棒性。


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