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受生物启发的欠驱动UUV三维轨迹跟踪反步控制研究
| 论文题名： | 受生物启发的欠驱动UUV三维轨迹跟踪反步控制研究 |
| 关键词： | 水下无人航行器;轨迹跟踪;反步控制;生物启发;速度调节 |
| 摘要： | 水下无人航行器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）三维空间轨迹精确跟踪能力是实现海洋资源开发、科学勘测、近海防御等应用领域的重要技术基础。然而，UUV通常具有欠驱动性、高耦合性和非线性性，加之外界的干扰且还需满足时间与空间上的要求，使得UUV的三维轨迹跟踪控制更加难以实现。为此，本文基于生物启发模型和反步控制方法，针对欠驱动UUV轨迹跟踪控制中的奇异值、运动参数跳变、跟踪精度、抗干扰、控制输入饱和等问题进行了深入的研究，旨在取得更好的跟踪控制效果。具体研究工作如下： 1、建立了UUV空间六自由度运动模型，并分析该模型中的强非线性性、约束不完整性、高耦合度性、区间约束性和存在环境干扰等特性对控制器设计带来的影响；给出了本文所利用的生物启发数学模型，并对该模型进行了特性分析与仿真。 2、提出了一种基于生物启发模型的动态速度调节反步控制方法。该方法可以避免当艏向角误差为正负90o时，采用常规反步法（定义虚拟速度变量代替姿态误差），引起的奇异值现象；仿真研究中，设计了水平面轨迹跟踪控制任务中出现奇异值的情况，结果表明利用所提出的方法可以实现对欠驱动UUV的轨迹跟踪控制。 3、提出了一种结合反步控制和三个生物启发模型设计控制器的方法。该方法从动力学角度设计三维动态速度调节轨迹跟踪控制器，可以避免受恒定外界扰动以及由于跟踪轨迹不光滑引起的运动参数跳变问题；同时，可以有效的抑制拐点处运动轨迹误差大的问题；仿真研究中，设计了空间三维曲线与直线之间的切换以及艏向角误差为直角拐点的情况，结果表明利用所提出的方法可以实现外界干扰条件下对欠驱动UUV三维轨迹的跟踪控制。 4、提出了一种简化欠驱动UUV三维轨迹跟踪反步控制求导计算量的控制方法。该方法利用生物启发模型的微分输出值，代替反步法控制中的实时求导值，避免了由于反复求导所导致的“微分爆炸”现象；仿真研究中，利用简化计算量方法，设计了三维折线对比仿真实验，可以避免控制输入饱和现象的出现。 本文针对定义虚拟速度变量代替姿态误差反步法设计欠驱动UUV空间轨迹跟踪控制器的方案，探索性的利用生物启发模型的特性，在保证跟踪系统稳定的前提下，从不同方面出发，主要解决了奇异值问题、运动参数跳变问题和“微分爆炸”问题，有效的提高了系统的控制性能和跟踪精度，并针对性的做出了仿真验证与研究。 |
| 作者： | 赵俊鹏 |
| 专业： | 控制科学与工程 |
| 导师： | 施小成 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2017 |
| 正文语种： | 中文 |
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