欠驅(qū)動(dòng)智能水下機(jī)器人的三維軌跡跟蹤控制方法研究.pdf

1、智能水下機(jī)器人(AutonomousUnderwaterVehicle,AUV)在現(xiàn)代海洋開(kāi)發(fā)中占有重要地位。欠驅(qū)動(dòng)AUV的運(yùn)動(dòng)存在高度的非線性、非完整性以及控制輸入的約束,因此針對(duì)于欠驅(qū)動(dòng)AUV的研究將直接關(guān)系到AUV在實(shí)際運(yùn)動(dòng)中操控性能的好壞。針對(duì)于這一工程應(yīng)用的背景,本文重點(diǎn)研究了欠驅(qū)動(dòng)AUV的鎮(zhèn)定控制和軌跡跟蹤。
　　首先,分析智能水下機(jī)器人受力情況,建立水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上對(duì)AUV進(jìn)行非完整性和可控

2、性分析,并且對(duì)AUV的物理約束進(jìn)行了相應(yīng)的研究。AUV的非完整性和可控性表明可以設(shè)計(jì)時(shí)變的控制律進(jìn)行AUV相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制,為后續(xù)的鎮(zhèn)定控制和軌跡跟蹤打下基礎(chǔ)。
　　在欠驅(qū)動(dòng)AUV的鎮(zhèn)定控制方面,本文分別從二維平面和三維空間進(jìn)行了鎮(zhèn)定設(shè)計(jì)。鎮(zhèn)定設(shè)計(jì)的目的就是使AUV從任意初始位置通過(guò)控制輸入穩(wěn)定在穩(wěn)定點(diǎn)。針對(duì)于二維鎮(zhèn)定設(shè)計(jì),基于微分同胚變換,將運(yùn)動(dòng)方程轉(zhuǎn)化為級(jí)聯(lián)系統(tǒng),應(yīng)用李亞普諾夫直接法設(shè)計(jì)得到一種較為簡(jiǎn)單的控制律,并應(yīng)用微分理論進(jìn)

3、行了證明。三維鎮(zhèn)定設(shè)計(jì),基于四元數(shù)理論將六自由度空間運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行了轉(zhuǎn)化,設(shè)計(jì)虛擬的中間變量,得到控制律并進(jìn)行了證明。
　　針對(duì)于欠驅(qū)動(dòng)AUV的軌跡跟蹤問(wèn)題,本文也從二維平面和三維空間進(jìn)行了跟蹤設(shè)計(jì)。軌跡跟蹤問(wèn)題就是在控制輸入的作用下使得AUV沿設(shè)定的軌跡運(yùn)動(dòng)。相對(duì)于鎮(zhèn)定控制問(wèn)題,軌跡跟蹤分為兩部分進(jìn)行:軌跡跟蹤誤差方程的獲得;軌跡跟蹤誤差方程的鎮(zhèn)定收斂;其難點(diǎn)就在于跟蹤誤差方程的獲得。二維軌跡跟蹤,首先假設(shè)虛擬的AUV運(yùn)動(dòng)方程,得

4、到誤差方程,通過(guò)微分同胚變化得到跟蹤誤差的級(jí)聯(lián)系統(tǒng),利用李亞普諾夫穩(wěn)定性理論反步推導(dǎo)提出控制律。三維軌跡跟蹤的復(fù)雜性表現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)方程的耦合性,在不計(jì)入橫滾運(yùn)動(dòng)的影響下,通過(guò)設(shè)計(jì)期望的艏向角、縱傾角,將運(yùn)動(dòng)方程變?yōu)閹讉€(gè)子系統(tǒng),通過(guò)合適的形式得到級(jí)聯(lián)系統(tǒng),則直線軌跡跟蹤轉(zhuǎn)化為級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的鎮(zhèn)定問(wèn)題。采用李亞普諾夫函數(shù)設(shè)計(jì)得到控制律,應(yīng)用級(jí)聯(lián)系統(tǒng)定理證明了控制律的有效性。曲線軌跡跟蹤首先設(shè)計(jì)使受驅(qū)動(dòng)方程速度誤差穩(wěn)定的控制律,再根據(jù)軌跡跟蹤誤差,通過(guò)