基于反步法的欠驅(qū)動UUV空間目標(biāo)跟蹤非線性控制方法研究.pdf

1、近年來人類對資源的需求日趨增長，世界各國將資源發(fā)展目標(biāo)轉(zhuǎn)移到了海洋資源的開發(fā)和利用之上。作為資源勘探、環(huán)境監(jiān)測和海域偵查的特種設(shè)備，多功能無人水下航行器(UUV)是一種體積小、可控性好、長續(xù)航能力和強搭載能力的移動載體，可滿足軍事領(lǐng)域、科學(xué)領(lǐng)域和經(jīng)濟領(lǐng)域的不同需求。然而，UUV本身是高技術(shù)的集成體，加上工作環(huán)境具有復(fù)雜性和未知性，這對其安全航行和順利執(zhí)行使命任務(wù)提出很高要求。因此，為了使得UUV的使用可行、可信，將相關(guān)理論結(jié)合載體的動力

2、學(xué)特性和控制要求，研究載體的動力學(xué)模型及載體的運動控制方法，對于提高UUV的技術(shù)保障和加快工程化應(yīng)用進程有重要的意義。為此，本文基于非線性反步法控制方法，探討UUV運動系統(tǒng)的空間目標(biāo)跟蹤控制問題，旨在提高UUV運動系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)，具體研究工作如下：
　　 1.根據(jù)UUV的幾何外形和執(zhí)行機構(gòu)等附體的分布情況，對UUV的動態(tài)運動模型的運動特性進行了分析，建立了UUV的空間六自由度動力學(xué)模型；該模型不僅考慮了航行器的非線性水動力阻尼項

3、和耦合性項，而且考慮了執(zhí)行機構(gòu)(舵機和推進器)的飽和特性與外界海流干擾下的系統(tǒng)平衡特性，提高了UUV數(shù)字仿真建模的精確性，操縱性仿真實驗進一步驗證了UUV模型的正確性。
　　 2.針對欠驅(qū)動UUV的空間路徑點跟蹤控制問題，充分考慮系統(tǒng)模型的非完整約束特性，基于視線導(dǎo)引的方法來設(shè)計自適應(yīng)反步法控制器。該方法可以將UUV對位置誤差的跟蹤控制轉(zhuǎn)化為對航速誤差、縱傾角誤差與艏向角誤差的漸近穩(wěn)定控制，進而能夠?qū)⒎峭暾到y(tǒng)的鎮(zhèn)定問題間接的轉(zhuǎn)

4、化為完整系統(tǒng)的鎮(zhèn)定問題，上述變換方式可以不受Brockett引理的必要條件約束，為欠驅(qū)動UUV三維路徑點跟蹤提供了新的控制器設(shè)計思路。
　　 3.針對欠驅(qū)動UUV的三維路徑跟蹤控制問題，基于Serret-Frenet坐標(biāo)系下建立的五自由度非線性空間路徑跟蹤誤差方程，運用李雅普諾夫直接法和反步法控制方法，設(shè)計了UUV路徑跟蹤的動力學(xué)控制器，保證了閉環(huán)系統(tǒng)的漸近穩(wěn)定。本文基于虛擬向?qū)Х椒ㄒ?guī)劃的期望路徑由“虛擬UUV”連續(xù)運動所得，生

5、成的跟蹤曲線光滑，不存在直線航跡跟蹤時拐點處不易跟蹤的問題。趨近角概念的引入有助于調(diào)整UUV趨向且收斂至期望路徑曲線的暫態(tài)行為。仿真實驗表明，設(shè)計的控制器可以實現(xiàn)三維路徑的精確跟蹤，且可以避免UUV驅(qū)動裝置(俯仰舵和航向舵)的飽和問題。
　　 4.針對欠驅(qū)動UUV的三維軌跡跟蹤控制問題，采用常規(guī)反步法設(shè)計控制器時，由于涉及對虛擬控制輸入信號反復(fù)求導(dǎo)的過程，所以存在計算量過大的缺點。本文提出了一種濾波反步法的控制方法，該方法通過濾

6、波器而非直接解析地對虛擬控制量求導(dǎo)，從而顯著簡化了反步控制器的設(shè)計過程。而且由于虛擬控制量的導(dǎo)數(shù)是通過積分過程而非微分得到，這樣大大降低了測量噪聲對控制系統(tǒng)的影響。基于李雅普諾夫穩(wěn)定性理論分析并證明了UUV軌跡跟蹤系統(tǒng)的穩(wěn)定性。仿真實驗表明，設(shè)計的控制器可以實現(xiàn)對期望三維軌跡在時間和空間上的精確跟蹤。
　　 本文深入開展了UUV的空間目標(biāo)跟蹤非線性控制方法研究，論文研究理論成果對于UUV安全、可靠的完成水下使命任務(wù)，具有重要的工