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原文传递非线性因素约束下欠驱动UUV轨迹跟踪控制方法研究

论文题名：	非线性因素约束下欠驱动UUV轨迹跟踪控制方法研究
关键词：	水下无人航行器;轨迹跟踪;滤波反步法;积分滑模控制;饱和约束补偿
摘要：	随着海洋开发的逐步深入，以及水下无人航行器（Unmanned Undersea Vehicle， UUV）技术的日臻成熟，欠驱动UUV已经成为海洋资源勘探、海洋科学研究、海上军事行动中不可或缺的重要装备之一。UUV的运动控制技术则是其完成各种使命任务的先决条件。相较于其他运动形式而言，UUV轨迹跟踪属于高机动性运动问题，其研究还处于理论探索阶段。因此，本文选择极其具有挑战性的欠驱动UUV轨迹跟踪控制问题作为研究的核心。通过深入分析国内外海洋运载器（包括水面船、USV、AUV/UUV、ROV等）轨迹跟踪控制的已有研究成果，可以总结出欠驱动UUV轨迹跟踪控制所面临的挑战以及影响控制性能的各种非线性因素。进而，利用生物启发滤波反步法、非线性积分滑模控制、注入等效输出的非线性滑模观测器、抗饱和补偿算法等非线性控制理论，研究非线性因素约束下欠驱动UUV轨迹跟踪控制问题。本文拟开展如下研究工作：　　首先，基于刚体运动学、刚体动力学以及操纵性理论，阐述了欠驱动UUV标准运动方程的建立过程。进而，考虑本课题研究对象自身特点，对欠驱动UUV标准运动方程进行相应简化，可以得到本课题研究对象的运动模型。然后，通过分析各种内外扰动量对UUV运动的影响，建立各种非线性因素约束的表达模型。最后，利用刚体动力学和微分几何知识，分析欠驱动UUV的二阶非完整性、小时间局域能控性等动力学特性。　　其次，针对恒定未知海流扰动约束下欠驱动UUV轨迹跟踪控制问题，基于生物启发滤波反步法和海流观测器，设计三维轨迹跟踪控制器。通过引入正交坐标变换，将轨迹跟踪位置误差从固定坐标系变换到运动坐标系。然后，分别基于传统反步法和生物启发滤波反步法，设计两种三维轨迹跟踪控制器。接下来，考虑实际作业中的UUV所受到的海流很难被精确测量，因此需要设计海流观测器，用以估计海流扰动的速度；进而，将其引入到轨迹跟踪控制器中，用以补偿海流扰动对UUV轨迹跟踪运动的影响。最后，基于Lyapunov稳定性理论，分析轨迹跟踪误差在所设计控制器作用下的收敛特性。　　然后，针对参数摄动约束下欠驱动UUV轨迹跟踪控制问题，基于“虚拟航行器”轨迹跟踪制导律和非线性PID积分滑模控制，提出了一种全局有限时间稳定的轨迹跟踪控制方法。由于参数摄动约束使得轨迹跟踪控制问题变得较为复杂，并且在执行大部分任务时UUV的运动可近似认为是水平面的，因此首先研究水平面轨迹跟踪问题，然后再将研究成果扩展到三维空间的轨迹跟踪。首先，基于“虚拟航行器”法，构建欠驱动UUV的水平面轨迹跟踪制导律，计算出UUV的期望运动状态；进而，建立起水平面轨迹跟踪误差方程。然后，基于一阶非线性 PI积分滑模控制的等效控制律，并选取线性速度跟踪误差作为虚拟控制量，设计UUV轨迹跟踪的运动学控制器。通过引入线性速度误差与其期望值之间的误差，将轨迹跟踪误差的动态方程变换为级联形式。接下来，基于非线性PID积分滑模控制，设计UUV轨迹跟踪动力学控制器，实现其水平面轨迹跟踪。基于有限时间 Lyapunov稳定性理论，分析所设计水平面轨迹跟踪控制器的稳定性。紧接着，将“虚拟航行器”轨迹跟踪制导律由水平面二维情况扩展到三维空间，用以实现三维参考轨迹当前时刻点到UUV期望运动状态的映射。进而，利用非线性PID积分滑模控制，推导出全局有限时间稳定的三维轨迹跟踪控制器。通过在等速趋近律中引入与参数摄动上确界相关的增益系数，可以有效地抑制参数摄动对轨迹跟踪性能的影响，增强轨迹跟踪控制器的鲁棒性。　　最后，针对线性速度和角速度不可测约束下欠驱动UUV三维轨迹跟踪控制问题，基于等效输出注入滑模观测器（Equivalent Output Injection SMO）和一阶积分滑模控制，提出一种有限时间稳定的输出反馈轨迹跟踪控制方法。采用等效输出注入的滑模观测器，设计欠驱动UUV的运动状态观测器，用以估计UUV的线性速度和角速度。从而，建立基于估计状态的轨迹跟踪速度误差动态方程。然后，利用一阶积分滑模控制，设计轨迹跟踪动力学控制器，实现轨迹跟踪误差的有限时间收敛。基于有限时间 Lyapunov稳定性理论，分析输出反馈轨迹跟踪控制器的稳定性。最后，利用抗饱和补偿算法（Anti-windup），分别在纵向速度、纵倾角速度以及偏航角速度这三个控制通道上各引入一个稳定的辅助系统，用以补偿运动控制执行机构的饱和非线性特性。
作者：	于浩淼
专业：	控制理论与控制工程
导师：	严浙平
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文