欠驱动UUV的空间直线路径跟踪控制

针对欠驱动无人水下航行器(UUV)设计了基于视距导航法的路径跟踪控制方法。采用视距导航法建立欠驱动UUV的路径跟踪误差模型将位置误差控制转换为航速控制、艏向角控制和纵倾角控制,使得路径跟踪问题的输出空间从6个自由度降为3个自由度。对简化的3个自由度设计控制器,并证明了控制器的稳定性。最后以空间平行于x轴的直线为参考路径进行了路径跟踪控制仿真,验证了该方法的有效性。     

基于非线性迭代滑模的欠驱动UUV三维航迹跟踪控制

为实现欠驱动无人水下航行器(Unmanned underwater vehicle, UUV)在未知海流干扰作用下的三维航迹跟踪控制, 提出一种基于工程解耦思想设计的非线性迭代滑模航迹跟踪控制器. 基于虚拟向导的方法,建立UUV空间航迹跟踪误差方程;采用迭代方法设计非线性滑模控制器, 无需对UUV模型参数不确定部分和海流干扰进行估计,避免了舵的抖振现象以及减小了稳态误差与超调问题. 仿真实验表明,设计的控制器对欠驱动UUV系统的模型参数摄动及海流干扰变化不敏感、 且设计参数易于调节,可以实现三维航迹的精确跟踪.     

欠驱动无人水下航行器三维轨迹跟踪的反步控制

针对欠驱动无人水下航行器(underactuated unmanned underwater vehicles,UUVs)三维轨迹跟踪控制问题,本文有别于传统反步法中基于视线法设计姿态角误差变量的思路,提出了一种定义虚拟速度误差变量的反步控制器设计方法,能够有效避免传统反步法控制律设计时存在的奇异值问题,简化了传统反步法复杂的计算过程;设计了欠驱动UUV的三维轨迹跟踪控制器,给出了系统的误差方程,基于Lyapunov稳定性理论证明了系统在定常外界扰动下的鲁棒性和稳定性;仿真结果表明本文提出的UUV三维轨迹跟踪反步控制方法收敛、有效,能够实现欠驱动UUV对时变三维轨迹的精确跟踪控制.     

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。     

面向动目标围捕的Multi-UUV编队协调控制研究

针对动目标围捕过程对Multi-UUV编队结构的灵活性要求较高的问题,基于欠驱动UUV的数学模型,在目标轨迹能够准确预测的前提下,改进了协调编队运动控制器。协调编队运动控制器的控制目标是在Multi-UUV编队跟踪并围捕动目标过程中,避免Multi-UUV之间,UUV与障碍物以及UUV与动目标之间的碰撞并以稳定的编队结构围捕动目标。将控制器设计过程分解为运动学控制和动力学控制。在运动学控制部分,实现动目标跟踪、UUV之间避撞及UUV偏航角误差为零的控制目标。在动力学控制部分,应用反步法设计实际的控制输入。仿真案例验证了协调运动控制器在动目标围捕中的有效性。     

基于海流观测器对欠驱动水下机器人进行三维路径跟随

对模型参数未知的欠驱动水下机器人,本文设计了海流中三维路径跟随控制器.该方法在无旋流的前提下,利用海流的运动方程,结合三维视线导航法和反步法,设计了控制器.通过死区方法估计模型参数,克服了参数漂移问题;针对海流未知情况,设计了海流观测器.最后通过Lyapunov稳定性理论证明了跟踪误差是收敛的,仿真实验验证了该控制方法的有效性.     

欠驱动飞艇三维路径跟踪控制

针对欠驱动飞艇的路径跟踪控制问题,提出了一种基于制导向量场的三维路径跟踪控制方法.首先,引入向量场理论.接着基于牛顿–欧拉方程建立欠驱动飞艇动力学模型.基于所提模型和向量场理论构造制导向量场以获得期望姿态角和期望速度.然后结合反步法和PD控制设计路径跟踪控制器,用指令滤波器对控制器设计过程中虚拟控制的导数进行估计,避免了复杂的解析计算.所设计的控制器是由制导向量场子系统、姿态稳定环和速度跟踪环组成的内外环结构.稳定性分析证明了飞艇的路径跟踪误差最终一致有界.最后仿真结果验证了所提出方法的有效性.     

非线性迭代滑模的欠驱动AUV路径跟踪控制

为实现欠驱动自治水下机器人（AUV）在未知海流干扰作用下的路径跟踪控制,提出一种基于非线性迭代滑模增量反馈的路径跟踪控制器。选用一般曲线参数和Serret-Frenet坐标系描述路径跟踪误差,建立AUV水平面路径跟踪误差方程。采用迭代方法,设计滑模增量反馈控制器,无需对AUV模型参数不确定部分和海流干扰进行估计。仿真实验表明,设计的控制器参数易于调节,可用于实际欠驱动水下机器人来实现对水平面路径的精确跟踪。     

基于离散滑模预测的欠驱动AUV三维航迹跟踪控制

针对欠驱动自主水下航行器（AUV）的模型不确定和外界海流干扰问题,为了实现欠驱动AUV的三维航迹跟踪控制,采用虚拟向导法建立空间运动误差离散化模型.基于递归滑模思想设计离散滑模预测控制器,利用滚动优化和反馈校正方法补偿了不确定项对滑模预测模型的影响.最后针对某欠驱动AUV进行了空间曲线跟踪控制仿真实验.结果表明,所设计的控制器可以较好地克服时变非线性水动力阻尼对系统的影响,并对外界海流干扰有较好的抑制作用,保证了欠驱动AUV三维航迹跟踪系统的鲁棒性,实现了三维航迹的精确跟踪.     

Model predictive and adaptive neural sliding mode control for three-dimensional path following of autonomous underwater vehicle with input saturation

With model uncertainties and input saturation, a novel control method is developed to steer an underactuated autonomous underwater vehicle that realizes the following of the planned path in three-dimensional (3D) space. Firstly, Serret–Frenet frame is applied as virtual target, and the path following errors model in 3D is built. Secondly, the control method which includes kinematic controller and dynamic controller was presented based on cascade control strategy. The kinematic controller, which is responsible for generating a series of constrained velocity signals, is designed based on model predictive control. The adaptive radial basis function neural network is used to estimate the model uncertainty caused by hydrodynamic parameters. Moreover, sliding mode control technology is applied in the design of dynamic controller to improve its robustness. Then, the control effect is compared with that of LOS guidance law and PID controller by simulation experiment. The comparison results show that the proposed algorithm can improve path following effect and reduce input saturation.

     

基于自适应Backstepping的欠驱动AUV三维航迹跟踪控制

为了实现欠驱动自治水下机器人（AUV）三维航迹跟踪控制,基于非完整系统理论分析了AUV缺少横向推进器时的欠驱动控制系统特性,并验证了欠驱动AUV存在加速度约束不可积性.基于李亚普诺夫稳定性理论,利用自适应Backstepping设计连续时变的航迹点跟踪控制器,以抑制外界海流的干扰.仿真实验表明,所设计的控制器能实现欠驱动AUV对一序列三维航迹点的渐近镇定,并且航迹跟踪的精确性和鲁棒性明显优于PID控制.     

欠驱动航天器相对运动的姿轨耦合控制

针对欠驱动的非对称航天器设计六自由度相对运动的姿轨耦合控制器.首先,给出用对偶四元数描述的六自由度相对运动模型;然后,基于矩阵广义逆和空控制向量提出广义的滑模控制器,以实现相对姿态欠驱动控制的渐近稳定;最后,考虑姿轨耦合特性,利用高斯伪谱法和非线性规划得到相对轨道运动能量最省的轨迹,进而利用滑模变结构控制实现对该轨迹的跟踪.仿真结果表明,所提出的方法是有效和可行的,而且较其他方法消耗的能量更少.     

A path following problem for a class of non-holonomic control systems with noise

This paper deals with a path following problem for a system affected by noise and proposes a dynamic inversion-based controller that makes use of the error between the real position and a suitable path location. An estimate of such error is given in terms of the noise bounds, showing the practical stability of the closed loop system. The results presented in this article apply to a subclass of Chaplygin control systems which includes several common mechanical systems. As an example the developed strategy has been applied to maneuver a kinematic model of a system moving in a 3-dimensional space in such a way that a point located at a positive distance from its center of geometry is driven towards a given path.     

Exponential Set-Point Stabilization of Underactuated Vehicles Moving in Three-Dimensional Space

This paper investigates the stabilization of underactuated vehicles moving in a three-dimensional vector space. The vehicle’s model is established on the matrix Lie group SE(3), which describes the configuration of rigid bodies globally and uniquely. We focus on the kinematic model of the underactuated vehicle, which features an underactuation form that has no sway and heave velocity. To compensate for the lack of these two velocities, we construct additional rotation matrices to generate a motion of rotation coupled with translation. Then, the state feedback is designed with the help of the logarithmic map, and we prove that the proposed control law can exponentially stabilize the underactuated vehicle to the identity group element with an almost global domain of attraction. Later, the presented control strategy is extended to set-point stabilization in the sense that the underactuated vehicle can be stabilized to an arbitrary desired configuration specified in advance. Finally, simulation examples are provided to verify the effectiveness of the stabilization controller.