风浪流干扰及参数不确定欠驱动船舶航迹跟踪的滑模鲁棒控制

针对欠驱动船舶的模型参数不确定和外界风浪流干扰问题,为实现水平面的航迹跟踪控制,提出了一种基于上下界的滑模控制方法.首先利用反步法将控制器的设计分解为运动学回路和动力学回路.其次,在运动学回路中为实现位置跟踪误差的收敛,根据期望航迹与当前位置信息,设计船舶的纵向与侧移参考速度,并视为镇定位置误差的虚拟控制律;在动力学回路中,将虚拟控制律作为新的跟踪目标,利用滑模方法设计实际控制律实现对参考速度的跟踪控制,最终实现了欠驱动船舶的跟踪控制.最后对有无干扰下的欠驱动船模分别进行了仿真实验,仿真结果证明了控制律的有效性.     

基于领导跟随的欠驱动船舶编队跟踪控制

针对具有三自由度欠驱动水面船舶编队控制问题,提出一种基于领导跟随 ( Leader /Follower) 结构的欠驱动水面船舶队形跟踪控制方法。当系统接收到队形控制指令, 每个欠驱动水面船舶按照自己在编队中的角色进行控制,其中Leader 根据任务中的队形指令 完成航迹跟踪控制,而Followers 则依据Leader 的信息和航行中任务中的队形指令完成航迹跟 踪控制。在航迹跟踪控制中,根据期望队形任务指令为每个船舶设计需要跟踪的参考路径和 速度指令; 基于Lyapunov 理论和重定义输出方法设计非线性速度控制器和路径跟踪控制器跟 踪设计路径和速度指令; 稳定性分析证明了队形跟踪误差是一致最终稳定的。仿真结果表明 船舶可以跟踪任意期望曲线队形,从而验证了方法的有效性。     

欠驱动不对称船舶全局K指数镇定的解耦实现

研究一类欠驱动不对称船舶的全局K指数镇定问题,并且提出一种新的解耦控制方法.首先,对船舶系统进行全局微分同胚变换和状态时变变换,并将其解耦为线性子系统和线性时变子系统,从而将整个系统的镇定控制问题转化为两个简单子系统的镇定问题,简化了控制器的设计;然后,为每个子系统分别设计独立的全局时变指数镇定控制律,实现了欠驱动不对称船舶的全局K指数镇定;最后,仿真结果表明了所提出方法的有效性.     

欠驱动船舶神经网络自适应路径跟踪控制

针对模型参数未知的欠驱动船舶路径跟踪问题,将神经网络技术与反演设计法相结合,提出一种神经网络稳定自适应控制方法。首先根据运动学误差方程和线性变换确定辅助的前进速度和艏摇角,然后利用神经网络逼近技术对模型中任意不确定因素进行补偿,设计自适应控制律,使得实际的前进速度和艏摇角分别收敛到辅助值。应用Lyapunov函数证明了船舶路径跟踪闭环系统的误差信号最终一致有界。仿真结果表明,利用设计的控制律可以迫使欠驱动船舶跟踪曲线和直线路径,并且具有较强的鲁棒性。     

欠驱动船舶的光滑时变指数镇定

船舶水平面运动的欠驱动特性使船舶运动控制的研究具有了新的内涵．本文在船舶水平面运动的运动学及动力学模型基础上,将其演化为二阶系统方程组．针对其欠驱动的特性,借助微分同胚变换及控制输入变换将其转化为两个子系统,分别设计状态反馈控制律,从而得到了原系统的具有指数收敛速率的时变光滑反馈镇定律,实现闭环系统所有状态全局指数收敛至平衡点．该方法可用于欠驱动船舶动力定位或自动泊位控制．最后的仿真试验验证表明本方法是有效的．     

基于反步自适应神经网络的船舶航迹控制

针对欠驱动船舶在稳定航速条件下轨迹跟踪问题,提出了一种基于自适应神经网络与反步法相结合的控制算法.该算法将实际的欠驱动船舶视为模型完全未知的非线性系统,利用神经网络的函数逼近特性实现控制器中非线性部分的在线估计,采用同时调整输入层-隐层、隐层-输出层间的权值阵的方法进行神经网络权值调整.通过选取积分型Lyapunov函数证明了闭环系统的稳定性.仿真实验表明该控制策略具有良好的跟踪特性,可以实现对期望航迹的精确跟踪.     

欠驱动飞艇平面路径跟踪控制

针对欠驱动飞艇模型,提出一种基于制导向量场的平面路径跟踪控制方法.首先,基于牛顿-欧拉方程建立欠驱动飞艇动力学模型;然后,基于向量场理论构造制导向量场以获得期望偏航角,结合反步法设计路径跟踪控制律,并通过稳定性分析证明所设计的控制律能够使路径跟踪误差收敛到零而且闭环系统状态有界;最后,通过仿真对比了所提出方法与已有方法的控制效果,仿真结果验证了所提出方法的有效性和优越性.     

基于扩张观测器的欠驱动船舶轨迹跟踪低频学习自适应动态面输出反馈控制

针对速度不可测的三自由度欠驱动船舶轨迹跟踪控制问题,考虑船舶存在模型参数不确定项以及外界环境干扰未知情况,提出一种基于扩张观测器的欠驱动船舶轨迹跟踪低频学习自适应动态面输出反馈控制策略.该策略构造扩张观测器估计船舶速度向量,利用神经网络算法逼近模型参数不确定项,然后采用动态面控制技术避免对虚拟控制律直接求导,简化控制律计算过程,并引入低频增益学习技术消除外界扰动导致控制信号产生高频振荡,最后选取李雅普诺夫函数证明该控制律能够保证船舶跟踪闭环系统中所有误差信号一致最终有界.仿真结果表明,本文所设计控制器对船舶模型参数不确定项及外界环境干扰具有较强的鲁棒性,能够实现对船舶轨迹的有效跟踪.     

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.     

离轴式拖车移动机器人的任意路径跟踪控制

离轴式拖车移动机器人属于非完整系统,当车头线速度随时间变化且过零变号时,难以用一个控制器实现系统对期望路径的跟踪.本文研究离轴式拖车移动机器人系统的任意路径跟踪问题.首先由系统和虚拟小车的运动学方程得到误差状态模型,线性化后用坐标变换将其化为标准型,然后基于Lyapunov方法构造出一种跟踪控制律.只要车头的运动线速度有界且不趋于零,其导数有界,则所设计的控制律就可以保证系统跟踪任意的期望路径,且跟踪误差最终一致有界,最终界的大小与期望路径的曲率变化率成比例.当期望路径的曲率变化率为零或趋于零时,所设计的控制律可以保证拖车移动机器人指数收敛到期望路径.仿真结果证实了控制律的有效性.     

A decentralized approach to integrated flight control synthesis

A new approach to decoupled control of large-scale non-linear systems is applied to a dynamic flight control. Control synthesis is performed in two steps. First the nominal, programmed control is synthesized using the complete model of flight dynamics. This nominal control should realize the nominal trajectory under ideal conditions with no perturbations. In the second step the tracking of the nominal trajectory is realized. The system is viewed as a set of decoupled subsystems and for each subsystem local control is synthesized. Then, the stability of the overall system is analyzed and the global control is introduced to compensate coupling among some of the subsystems. A particular choice of subsystems in a case of flight control and of local and global control synthesis is proposed. A simulation of flight control with the proposed control law is also presented.     

Robot robust path tracking

A new discontinuous robust control law for a rigid manipulator with bounded parameter uncertainties to track a desired trajectory, is presented. Global exponential stability is proved by the use of a natural Lyapunov function based on a transformation of the manipulator's differential equation due to Slotine and Li [2]. Convergence is to a sliding mode along which the tracking error is reduced at an arbitrary exponential rate. It is also shown how adaptation of bounds on uncertainties, and parameter adaptation, can be incorporated. For a continuous approximation of the discontinuous control law,practical stability (essentially, global uniform ultimate boundedness) of the tracking error is proved. Simulation results for the continuous control law exhibit excellent robust tracking.     

Robust adaptive trajectory tracking control of underactuated autonomous underwater vehicles with prescribed performance

In this paper, a novel robust adaptive trajectory tracking control scheme with prescribed performance is developed for underactuated autonomous underwater vehicles (AUVs) subject to unknown dynamic parameters and disturbances. A simple error mapping function is proposed in order to guarantee that the trajectory tracking error satisfies the prescribed performance. A novel additional control based on Nussbaum function is proposed to handle the underactuation of AUVs. The compounded uncertain item caused by the unknown dynamic parameters and disturbances is transformed into a linear parametric form with only single unknown parameter called virtual parameter. On the basis of the above, a novel robust adaptive trajectory tracking control law is developed using dynamic surface control technique, where the adaptive law online provides the estimation of the virtual parameter. Strict stability analysis indicates that the designed control law ensures uniform ultimate boundedness of the AUV trajectory tracking closed‐loop control system with prescribed tracking performance. Simulation results on an AUV in two different disturbance cases with dynamic parameter perturbation verify the effectiveness of our adaptive trajectory tracking control scheme.     

一种基于指数趋近律的非线性系统变结构轨迹跟踪控制新方法

针对多输入多输出二阶不确定非线性机械系统中轨迹跟踪控制的问题,提出一种新的基于指数趋近律的滑模变结构控制方法,用于提高系统的平稳性和快速性。在滑模变结构控制器设计过程中采用一种新的指数趋近律以改进闭环系统的暂态和稳态响应性能,使系统跟踪误差收敛速度加快,特别是减少轨迹跟踪误差到达滑模面的时间,同时提高了系统轨迹跟踪过程的平稳性。通过采用边界层方法消除滑模控制输入抖振问题,避免控制过程中执行器的频繁切换,进一步提高所提出滑模控制器在实际系统中的实用性。基于李雅普诺夫稳定性理论证明了闭环系统的稳定性和跟踪误差的收敛性。数值仿真验证了所提出的控制方法的有效性。     

基于Lyapunov方法和快速终端滑模的轨迹跟踪控制

针对移动机器人的运动学模型,提出一种具有全局渐近稳定性的跟踪控制器。该跟踪控制器的设计分为两部分：第一部分是采用全局快速终端滑动模态的思想设计了角速度的控制律,用来渐近镇定移动机器人跟踪的前向角误差;第二部分是采用Lyapunov方法设计了线速度的控制律,用来渐近镇定移动机器人跟踪的平面坐标误差。采用Lyapunov稳定性定理,证明了移动机器人在满足这些控制律条件下,实现了对参考轨迹的全局渐近跟踪。实验结果表明移动机器人能够有效地跟踪期望轨迹,有利于在实际应用中推广。     

误差约束严格反馈系统的迭代学习控制

针对一类严格反馈非线性系统, 本文提出误差跟踪学习控制算法, 旨在解决状态约束问题和系统的初值问 题. 文中构造了二次分式型对称障碍Lyapunov函数以及二次分式型非对称障碍Lyapunov函数, 并结合反推技术来分 别设计学习控制器. 两种控制方案里分别采用积分学习律和微分–差分学习律估计未知系数. 系统跟踪误差在控制 器作用下囿于预设的界内, 从而实现迭代过程中对状态的约束; 引入期望误差轨迹, 经迭代学习后, 两种控制方案均 能够实现状态误差在整个作业区间上对期望误差轨迹的完全跟踪, 并且实现系统输出在预指定作业区间上精确跟 踪参考信号. 数值仿真结果表明了控制方案的有效性.     

一类非完整约束动力学系统的人工场导向控制

对于一类具有轮式移动机构的非完整动力学系统,本文通过建立人工场的方法来实 现其位姿镇定、轨迹跟踪和路径跟踪等控制问题.人工场用于导向和控制方向角,而通过辅助 的线速度控制以获取最佳收敛路径. 控制器设计中同时兼顾动力学扰动及实际系统速度和输 出力矩的饱和限制,所得控制器对于跟踪问题仅需知道期望位姿,而且结构简单、鲁棒性强、 便于实现.     

Robust discontinuous exponential regulation of dynamic nonholonomic wheeled mobile robots with parameter uncertainties

For regulating a dynamic nonholonomic WMR (wheeled mobile robot) with parameter uncertainties, we derive a simple robust discontinuous control law, yielding a global exponential convergence of position and orientation to the desired set point despite parameter uncertainties. The controller design relies on separating the error dynamics into two subsystems, followed by robust feedback control laws to stabilize the subsystems. The effectiveness of the proposed control laws is verified by simulation. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

Further results on global stabilisation and tracking control for underactuated surface vessels with non-diagonal inertia and damping matrices

This paper studies the global uniform stabilisation and exponential tracking problems for an underactuated ship with non-diagonal inertia and damping matrices. For the synthesis of the controller, first, the underactuated ship in question is converted into two cascade connected subsystems by using state and input transformations. Two constructive backstepping design schemes are developed, respectively, to get around the stabilisation burden and tracking burden. Along the way of proving stability analysis, it is shown that the designed control strategies can guarantee the global uniform asymptotic convergence of the state to the origin and global exponential convergence to the desired reference trajectory. Simulation results are provided to demonstrate the effectiveness of the proposed control methodologies.     

Global exponential tracking control of a mobile robot system via aPE condition

This paper presents the design of a differentiable, kinematic control law that achieves global asymptotic tracking. In addition, we also illustrate how the proposed kinematic controller provides global exponential tracking provided the reference trajectory satisfies a mild persistency of excitation (PE) condition. We also illustrate how the proposed kinematic controller can be slightly modified to provide for global asymptotic regulation of both the position and orientation of the mobile robot. Finally, we embed the differentiable kinematic controller inside of an adaptive controller that fosters global asymptotic tracking despite parametric uncertainty associated with the dynamic model. Experimental results are also provided to illustrate the performance of the proposed adaptive tracking controller.