基于反步法的欠驅(qū)動(dòng)UUV空間目標(biāo)跟蹤非線性控制方法研究.pdf

1、近年來(lái)人類(lèi)對(duì)資源的需求日趨增長(zhǎng)，世界各國(guó)將資源發(fā)展目標(biāo)轉(zhuǎn)移到了海洋資源的開(kāi)發(fā)和利用之上。作為資源勘探、環(huán)境監(jiān)測(cè)和海域偵查的特種設(shè)備，多功能無(wú)人水下航行器(UUV)是一種體積小、可控性好、長(zhǎng)續(xù)航能力和強(qiáng)搭載能力的移動(dòng)載體，可滿足軍事領(lǐng)域、科學(xué)領(lǐng)域和經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的不同需求。然而，UUV本身是高技術(shù)的集成體，加上工作環(huán)境具有復(fù)雜性和未知性，這對(duì)其安全航行和順利執(zhí)行使命任務(wù)提出很高要求。因此，為了使得UUV的使用可行、可信，將相關(guān)理論結(jié)合載體的動(dòng)力

2、學(xué)特性和控制要求，研究載體的動(dòng)力學(xué)模型及載體的運(yùn)動(dòng)控制方法，對(duì)于提高UUV的技術(shù)保障和加快工程化應(yīng)用進(jìn)程有重要的意義。為此，本文基于非線性反步法控制方法，探討UUV運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的空間目標(biāo)跟蹤控制問(wèn)題，旨在提高UUV運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，具體研究工作如下：
　　 1.根據(jù)UUV的幾何外形和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等附體的分布情況，對(duì)UUV的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)模型的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了分析，建立了UUV的空間六自由度動(dòng)力學(xué)模型；該模型不僅考慮了航行器的非線性水動(dòng)力阻尼項(xiàng)

3、和耦合性項(xiàng)，而且考慮了執(zhí)行機(jī)構(gòu)(舵機(jī)和推進(jìn)器)的飽和特性與外界海流干擾下的系統(tǒng)平衡特性，提高了UUV數(shù)字仿真建模的精確性，操縱性仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了UUV模型的正確性。
　　 2.針對(duì)欠驅(qū)動(dòng)UUV的空間路徑點(diǎn)跟蹤控制問(wèn)題，充分考慮系統(tǒng)模型的非完整約束特性，基于視線導(dǎo)引的方法來(lái)設(shè)計(jì)自適應(yīng)反步法控制器。該方法可以將UUV對(duì)位置誤差的跟蹤控制轉(zhuǎn)化為對(duì)航速誤差、縱傾角誤差與艏向角誤差的漸近穩(wěn)定控制，進(jìn)而能夠?qū)⒎峭暾到y(tǒng)的鎮(zhèn)定問(wèn)題間接的轉(zhuǎn)

4、化為完整系統(tǒng)的鎮(zhèn)定問(wèn)題，上述變換方式可以不受Brockett引理的必要條件約束，為欠驅(qū)動(dòng)UUV三維路徑點(diǎn)跟蹤提供了新的控制器設(shè)計(jì)思路。
　　 3.針對(duì)欠驅(qū)動(dòng)UUV的三維路徑跟蹤控制問(wèn)題，基于Serret-Frenet坐標(biāo)系下建立的五自由度非線性空間路徑跟蹤誤差方程，運(yùn)用李雅普諾夫直接法和反步法控制方法，設(shè)計(jì)了UUV路徑跟蹤的動(dòng)力學(xué)控制器，保證了閉環(huán)系統(tǒng)的漸近穩(wěn)定。本文基于虛擬向?qū)Х椒ㄒ?guī)劃的期望路徑由“虛擬UUV”連續(xù)運(yùn)動(dòng)所得，生

5、成的跟蹤曲線光滑，不存在直線航跡跟蹤時(shí)拐點(diǎn)處不易跟蹤的問(wèn)題。趨近角概念的引入有助于調(diào)整UUV趨向且收斂至期望路徑曲線的暫態(tài)行為。仿真實(shí)驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)的控制器可以實(shí)現(xiàn)三維路徑的精確跟蹤，且可以避免UUV驅(qū)動(dòng)裝置(俯仰舵和航向舵)的飽和問(wèn)題。
　　 4.針對(duì)欠驅(qū)動(dòng)UUV的三維軌跡跟蹤控制問(wèn)題，采用常規(guī)反步法設(shè)計(jì)控制器時(shí)，由于涉及對(duì)虛擬控制輸入信號(hào)反復(fù)求導(dǎo)的過(guò)程，所以存在計(jì)算量過(guò)大的缺點(diǎn)。本文提出了一種濾波反步法的控制方法，該方法通過(guò)濾

6、波器而非直接解析地對(duì)虛擬控制量求導(dǎo)，從而顯著簡(jiǎn)化了反步控制器的設(shè)計(jì)過(guò)程。而且由于虛擬控制量的導(dǎo)數(shù)是通過(guò)積分過(guò)程而非微分得到，這樣大大降低了測(cè)量噪聲對(duì)控制系統(tǒng)的影響?；诶钛牌罩Z夫穩(wěn)定性理論分析并證明了UUV軌跡跟蹤系統(tǒng)的穩(wěn)定性。仿真實(shí)驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)的控制器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)期望三維軌跡在時(shí)間和空間上的精確跟蹤。
　　 本文深入開(kāi)展了UUV的空間目標(biāo)跟蹤非線性控制方法研究，論文研究理論成果對(duì)于UUV安全、可靠的完成水下使命任務(wù)，具有重要的工