基于反馈增益反步法欠驱动无人水下航行器三维路径跟踪控制

针对欠驱动无人水下航行器的三维空间路径跟踪控制问题.基于虚拟向导建立载体坐标系下的三维路径跟踪运动学误差模型,首先设计跟踪误差反馈增益形式的线性控制项镇定位置跟踪系统,避免计算虚拟控制量导数的复杂形式;然后基于反步法设计动力学控制器,通过合理的选择控制器参数消除了部分非线性项,简化了虚拟控制量的形式,同时避免了采用传统反步法设计控制器时存在的奇异值问题,基于李雅普诺夫稳定性理论设计鲁棒反馈补偿项,保证了闭环跟踪误差系统状态的一致最终有界.仿真实验表明本文设计控制器能够精确跟踪三维曲线路径,并对外界干扰具有较好的鲁棒性.     

欠驱动水下航行器三维直线航迹跟踪控制

针对欠驱动水下航行器的三维直线航迹跟踪控制问题,基于虚拟向导建立了三维航迹跟踪误差模型,采用反馈增益反步法设计航迹跟踪控制器,通过合理选择控制器参数消除了部分非线性项,与传统反步法设计相比简化了虚拟控制量的形式,并且能够避免基于视线法设计导引律时存在固有奇异值点的问题.基于李雅普诺夫稳定性理论分析了闭环跟踪误差系统的渐近稳定性.最后将设计的控制器应用于欠驱动水下航行器进行仿真实验,结果表明控制器具有精确的三维航迹的跟踪能力,并对外界干扰和模型参数不确定性具有较好的鲁棒性.     

基于高度计信息处理的欠驱动无人水下航行器地形跟踪控制

针对高度测量信息不准确情况下的欠驱动无人水下航行器(UUV)地形跟踪控制问题,结合欠驱动UUV的固有特性,提出了一种基于反步法的非线性海底地形跟踪控制方法。首先,针对高度计受海水温度和盐度等海洋环境的干扰而导致高度测量信息不准确的问题,采用卡尔曼滤波器对高度测量信息进行处理,提高高度信息的准确性;然后,基于Lyapunov稳定性理论和反步法设计了非线性地形跟踪控制器,并证明了控制系统的渐近稳定性;最后,分别通过仿真实验和海试实验对所提出的方法进行验证。结果表明,基于高度信息滤波处理的欠驱动UUV非线性地形跟踪控制器能够实现精确的地形跟踪控制。     

基于高度计信息处理的欠驱动无人水下航行器地形跟踪控制

针对高度测量信息不准确情况下的欠驱动无人水下航行器(UUV)地形跟踪控制问题,结合欠驱动UUV的固有特性,提出了一种基于反步法的非线性海底地形跟踪控制方法。首先,针对高度计受海水温度和盐度等海洋环境的干扰而导致高度测量信息不准确的问题,采用卡尔曼滤波器对高度测量信息进行处理,提高高度信息的准确性;然后,基于Lyapunov稳定性理论和反步法设计了非线性地形跟踪控制器,并证明了控制系统的渐近稳定性;最后,分别通过仿真实验和海试实验对所提出的方法进行验证。结果表明,基于高度信息滤波处理的欠驱动UUV非线性地形跟踪控制器能够实现精确的地形跟踪控制。     

基于滤波反步法的欠驱动AUV三维路径跟踪控制

研究了欠驱动自主水下航行器 (Autonomous underwater vehicle, AUV)的三维空间路径跟踪控制问题.针对基于虚拟向导建立的三维路径跟踪误差模型, 采用滤波反步法设计跟踪控制器,通过二阶滤波过程获得虚拟控制量的导数, 避免了直接对虚拟控制量解析求导的复杂过程, 同时滤除了高频测量噪声, 增加了系统对噪声的鲁棒性.通过设计滤波误差补偿回路, 保证了滤波信号对虚拟控制量的逼近精度.基于李雅普诺夫稳定性理论设计鲁棒项, 保证了闭环跟踪误差系统状态的渐近稳定.仿真结果表明了该控制器对噪声干扰具有一定的鲁棒性, 能够实现对三维路径的精确跟踪.     

水下航行器轨迹跟踪控制与仿真

为了使水下航行器按照预定的轨迹运动,需要水下航行器的控制系统具有较强的鲁棒性和抗干扰能力,因此该文提出了采用横向轨迹误差法和视线法组合导引的基于滑模的水平面轨迹控制方案,针对“211AUV”自治式水下航行器,给出了简化的水下航行器水平面运动模型,分别给出横向轨迹误差法和视线法的滑模控制方程。并分别对横向轨迹误差法、视线法以及横向轨迹误差法和视线法组合导引法三种方法进行仿真分析,最终的仿真结果表明横向轨迹误差法无法单独完成轨迹导引,视线法的轨迹跟踪误差较大,而横向轨迹误差法和视线法组合导引法具有良好的轨迹跟踪能力,能够保证水下航行器进行各种循迹航行任务。     

带有内部转子的自主水下航行器的跟踪控制

研究了水平面内自主水下航行器(AUV)的轨迹跟踪控制问题。AUV由主推进器和一个内部转子驱动,可视为欠驱动系统。建立了带有外界扰动及模型不确定性的系统数学模型。为了对侧向运动和偏航运动进行解耦,采用了一种坐标转换。基于Lyapunov直接法,针对转换后的模型设计了一种跟踪控制律以使得位置跟踪误差收敛于零点左右的一个球域内。考虑到电机控制系统中的干扰和误差,对转子电机进行了控制设计以实现系统跟踪误差的全局镇定。仿真结果表明控制律对建模误差具有一定的鲁棒性。     

欠驱动水下机器人三维轨迹跟踪有限时间预设性能控制

本文研究了具有不确定动态和未知时变海洋环境扰动的欠驱动水下机器人(AUVs)三维轨迹跟踪有限时间预设性能控制问题,提出新型预设性能函数和误差映射函数,将受预设性能限制的轨迹跟踪误差转变为非受限的变换后误差;构造新的超螺旋(ST)扩张状态观测器,在有限时间内实时估计AUV不确定动态和未知时变海洋环境扰动引起的总扰动;基于...     

基于反步法的欠驱动UUV的3维路径跟踪控制

研究了欠驱动无人水下航行器(unmanned underwater vehicle,UUV)在3维空间中的路径跟踪控制器设计及其稳定性分析问题.首先建立2阶积分器形式的欠驱动UUV空间6自由度运动模型和动力学模型.针对该运动模型,以位置误差作为虚拟控制变量,基于反步法(backstepping)设计路径跟踪控制器.根据李亚普诺夫理论,在理论上证明了所设计的路径跟踪控制系统是稳定的.该控制器实现了欠驱动UUV 3维空间的路径跟踪控制.仿真结果验证了控制器的有效性.     

状态受限的小型无人直升机轨迹跟踪控制

无人直升机模型阶数比较高,设计常规反步控制器面临繁琐的对虚拟控制输入信号求导过程.针对此问题,设计了一种基于滤波器的反步控制方法.该方法通过滤波器而非直接解析地对虚拟控制量进行求导,从而显著简化了反步控制律的计算过程.在滤波器设计过程中,通过限制中间虚拟控制信号的幅值,变化速率以及带宽,以满足系统对状态变量及控制输入信号的约束要求.李雅普诺夫稳定性分析证明了直升机补偿跟踪误差全局指数稳定.仿真研究验证了该方法的有效性.     

开架水下机器人生物启发离散轨迹跟踪控制

针对水下机器人常规反步跟踪控制的速度跳变问题,提出了基于生物启发模型的反步滑模混合控制方法.应用生物启发模型的平滑、有界输出特性,产生渐变的参考跟踪速度,克服了速度跳变问题,也满足了推进器推力约束.同时自适应滑模控制算法产生跟踪控制律,对于水下干扰及模型不确定影响具有鲁棒性,能够实现水下机器人稳定、准确的轨迹跟踪控制.所提方法的稳定性通过Lyapunov理论进行了证明,并将该方法对FALCON开架水下机器人进行水平面离散轨迹跟踪控制的仿真研究,实验结果表明了提出控制方法的有效性.     

A Control Module Scheme for an Underactuated Underwater Robotic Vehicle

Despite major advances in Autonomous Underwater Vehicle design, the manually operated Underwater Vehicle (ROV) is still very much the industry workhorse. Current technologies are being used to reduce the stress of direct task operations by providing autonomy and to improve efficiency. This paper presents a design of a control module subsystem for a VE tele-operated ROV system. It discusses the design and implementation of the control module. Using modelling, simulation and experiments, the vehicle model and its parameters have been identified. These are used in the analysis and design of closed loop stabilising controllers for station keeping. As the vehicle has fewer actuators than possible degrees of freedom, it is necessary to limit the controllable degrees of freedom. These variables are eventually selected based on the inherent vehicle dynamics. Using the Lyapunov direct method, appropriate stabilising controllers have been designed. The station-keeping mode controller has PID structure and its gain values are designed using a non-linear optimising approach. Simulation and swimming pool tests for the heave and yaw directions have shown that the control module is able to provide reasonable depth and heading station keeping.     

基于滤波反步法的无人直升机轨迹跟踪控制

针对无人直升机模型阶数比较高,设计常规反步法控制器时面临着对虚拟控制输入信号求导过程较为繁琐的缺陷,提出一种基于滤波器反步法的控制方法.首先,通过滤波器而非直接解析地对虚拟控制量求导,从而显著简化了反步控制器的设计过程,而且由于导数是通过积分过程而非微分得到,大大降低了测量噪声的影响;然后,基于李雅普诺夫稳定性理论证明了补偿跟踪误差是全局指数稳定的;最后,通过仿真结果进一步验证了所提出方法的稳定性和有效性.     

基于级联方法的欠驱动AUV全局K指数3 维直线跟踪控制

采用非线性系统级联方法,提出一种欠驱动自主水下航行器的3维直线跟踪控制算法,首先将3维直线跟踪误差模型分解为水平面运动受垂直面运动扰动的级联结构;然后分别设计俯仰角指令和航向角指令,进一步将平面直线跟踪模型分解为位置跟踪误差受俯仰角/航向角跟踪误差扰动的级联结构,并设计了俯仰角和航向角的跟踪控制律,通过逐级应用级联系统稳定性理论证明了3维直线跟踪误差的全局κ指数稳定性;最后通过数学仿真验证了所提出跟踪控制算法的有效性。     

自主水下航行器的变质心跟踪控制

The trajectory-tracking control problem is investigated for an autonomous underwater vehicle (AUV) moving in the vertical plane using an internal point mass and a rear thruster as actuators. Combined with the dynamics of the point mass, the AUV is modeled as an underactuated system. A Lyapunov-based tracking controller is proposed by using backstepping approach to stabilize the error dynamics and force the position errors to a small neighborhood of the origin. Simulation results validate the proposed tracking approach.