基于滑模理論的欠驅(qū)動(dòng)UUV空間曲線路徑跟蹤控制.pdf

1、空間曲線路徑跟蹤控制是欠驅(qū)動(dòng)自治水下機(jī)器人(UUV or AUV:UnmannedUnderwater Vehicle or Autonomous Underwater Vehicle)完成海底探測、海底管道監(jiān)測和光纜維護(hù)等使命任務(wù)的重要技術(shù)保障。本課題針對(duì)欠驅(qū)動(dòng)UUV的非完整約束特性,考慮其動(dòng)力學(xué)模型的非線性、各自由度之間的耦合性、水動(dòng)力參數(shù)的不確定性以及存在非定常海流干擾的特點(diǎn),對(duì)滑模控制理論在欠驅(qū)動(dòng)UUV空間曲線路徑跟蹤控制中的應(yīng)

2、用進(jìn)行了深入的研究,主要研究內(nèi)容有以下四部分:
　　 第一部分:針對(duì)某型UUV對(duì)其運(yùn)動(dòng)與建模問題展開研究并對(duì)該系統(tǒng)模型進(jìn)行控制特性分析。
　　 首先,為完善欠驅(qū)動(dòng)UUV空間六自由度運(yùn)動(dòng)模型,建立執(zhí)行機(jī)構(gòu)的非線性數(shù)學(xué)模型和海流干擾模型。該運(yùn)動(dòng)模型不僅包含艇體水動(dòng)力的非線性項(xiàng)和耦合性項(xiàng),而且考慮了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的飽和特性和海流干擾下的平衡點(diǎn)特性,從而提高了數(shù)字化仿真模型的精確性,操縱性仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所建立的欠驅(qū)動(dòng)UUV運(yùn)動(dòng)模型的正

3、確性。
　　 其次,針對(duì)欠驅(qū)動(dòng)UUV運(yùn)動(dòng)模型,基于非完整系統(tǒng)理論和微分幾何方法,證明欠驅(qū)動(dòng)UUV屬于二階非完整系統(tǒng),并且具有小時(shí)間局部可控性。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是:不存在任何光滑時(shí)不變的反饋控制使得系統(tǒng)在平衡點(diǎn)漸近穩(wěn)定,但系統(tǒng)在平衡點(diǎn)是小時(shí)間局部可控的,從而為欠驅(qū)動(dòng)UUV運(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。
　　 第二部分:提出基于視線法(LOS:Line of Sight)設(shè)計(jì)自適應(yīng)PID控制器,以實(shí)現(xiàn)欠驅(qū)動(dòng)UUV空間曲線路徑跟

4、蹤控制。
　　 首先,針對(duì)欠驅(qū)動(dòng)UUV不存在任何光滑時(shí)不變的反饋控制使得系統(tǒng)在平衡點(diǎn)漸近穩(wěn)定的問題,提出基于視線法建立空間路徑跟蹤的運(yùn)動(dòng)誤差模型。該方法將欠驅(qū)動(dòng)UUV位置誤差的跟蹤控制轉(zhuǎn)化為航速誤差、艏向角誤差和縱傾角誤差的漸近穩(wěn)定控制,實(shí)現(xiàn)了非完整系統(tǒng)的鎮(zhèn)定控制問題轉(zhuǎn)化為完整系統(tǒng)的鎮(zhèn)定控制問題,從而避開了Brockett定理必要條件的約束,為傳統(tǒng)控制方法在欠驅(qū)動(dòng)UUV空間曲線路徑跟蹤控制中的應(yīng)用提供了設(shè)計(jì)思路。
　　

5、其次,針對(duì)常規(guī)PID控制方法參數(shù)調(diào)整不具有智能性且整定參數(shù)較難的問題,提出自適應(yīng)PID方法實(shí)現(xiàn)空間曲線路徑跟蹤控制。該方法參數(shù)的整定不依賴于欠驅(qū)動(dòng)UUV精確數(shù)學(xué)模型,且能夠在線調(diào)整以滿足實(shí)時(shí)控制的要求,同時(shí)具有常規(guī)PID控制器結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。欠驅(qū)動(dòng)UUV在不同航速下的空間正弦曲線路徑跟蹤控制仿真驗(yàn)證了此方法的有效性。
　　 第三部分:提出基于虛擬向?qū)У牡？刂?ISMC:Iterative Sliding Mode

6、Control)方法,以提高欠驅(qū)動(dòng)UUV在時(shí)變海流干擾下空間曲線路徑跟蹤控制的精確性和魯棒性。
　　 首先,針對(duì)基于視線法的空間曲線路徑跟蹤控制存在非連續(xù)跟蹤誤差且容易導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)飽和的問題,提出基于虛擬向?qū)Х椒ń⒖臻g曲線路徑跟蹤誤差模型。該方法不僅結(jié)合空間曲線特性和欠驅(qū)動(dòng)UUV運(yùn)動(dòng)特性,建立光滑連續(xù)的空間誤差運(yùn)動(dòng)模型,而且給定虛擬向?qū)б欢ǖ囊苿?dòng)速度,能夠避免路徑跟蹤的奇異值問題。
　　 其次,針對(duì)自適應(yīng)PID控制器難

7、以抑制時(shí)變海流干擾的問題,提出基于增量反饋的迭代滑?？刂品椒ㄔO(shè)計(jì)空間曲線路徑跟蹤控制器。該方法的滑模迭代設(shè)計(jì)思想能夠避免滑模面的切換引起的抖振,增量反饋控制能夠緩解傳統(tǒng)反饋的積分超調(diào)和穩(wěn)態(tài)誤差的矛盾問題,具有很強(qiáng)的魯棒性。時(shí)變海流干擾下的空間曲線路徑跟蹤控制仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的抗干擾能力。
　　 第四部分:提出基于預(yù)測控制思想設(shè)計(jì)離散滑模預(yù)測控制器(DSMPC:Discrete-timeSliding Mode Predict