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基于自抗扰技术的无人水下航行器协同路径跟踪控制
| 论文题名： | 基于自抗扰技术的无人水下航行器协同路径跟踪控制 |
| 关键词： | 无人水下航行器;路径跟踪;自抗扰技术;协同路径跟踪;视线制导;事件触发机制 |
| 摘要： | 无人水下航行器(UnmannedUnderwaterVehicle,UUV)是具有自主航行能力的小型海洋平台，其在海洋环境中无需人工干预便可自主执行海洋探测、海底搜索、环境侦察等任务。与单个UUV相比，多UUVs以集群形式协同工作可显著提高其执行海洋任务的作业效率，因此对多UUVs协同控制问题进行深入的研究具有非常重要的科学价值。本文以欠驱动UUV为研究对象，分别对多UUVs纵平面协同路径跟踪、多UUVs三维协同路径跟踪控制问题进行了研究。 主要研究工作分为以下三部分： （1）针对具有模型不确定性和未知海洋环境扰动的UUV纵平面协同路径跟踪控制问题，提出了一种采用自抗扰控制的协同路径跟踪控制方法。首先，在运动学部分设计了基于视线制导原理的运动控制律，实现了多路径的协同编队队形；然后，在动力学部分引入自抗扰控制方法逼近模型不确定性和外部扰动组成的总扰动项，通过对总扰动的实时补偿实现对UUV的控制。 （2）针对模型不确定性和海洋干扰下的UUV三维协同路径跟踪控制问题，采用流体坐标系使三维运动控制器的设计简单化，并利用三维LOS引导多UUVs沿着给定的空间路径航行，同时保持理想的编队队形。另外，引入扩张状态观测器(ExtendedStateObserver,ESO)来逼近水下航行器的未知动力学，采用自抗扰方法实现了三维空间下的运动学控制。应用级联系统稳定性分析方法，分别证明了闭环系统是输入状态稳定的，仿真结果验证了所提三维协同路径跟踪控制器的有效性。 （3）在上述控制方法的基础上，针对水下通信资源受限和机载能量受限的多UUVs三维协同路径控制问题，采用事件触发机制提出了一种非周期通信策略和非周期动力学控制策略。首先，针对水声通信信道窄造成的通信资源受限问题,设计了一种基于事件触发机制的协同通信策略；其次，针对模型不确定性和海洋环境扰动问题，设计了一种基于事件触发机制的ESO来逼近水下航行器的未知动力学，并降低了系统采样次数;最后，针对机载能量受限问题，设计了一种基于事件触发机制的自抗扰动力学控制律，在保证控制精度的前提下降低了执行机构的动作频次，从而节省了能量消耗。应用级联系统稳定性分析方法，分别证明了闭环系统是输入状态稳定的，且系统不存在Zeno行为。仿真结果验证了所提基于事件触发机制的控制器的有效性。 |
| 作者： | 柴亚星 |
| 专业： | 船舶与海洋工程 |
| 导师： | 王浩亮 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连海事大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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