夏梁盛, 嚴衛(wèi)生,2

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海流干擾作用下欠驅(qū)動AUV航路點跟蹤控制

夏梁盛1, 嚴衛(wèi)生1,2

(1. 西北工業(yè)大學 航海學院, 陜西 西安, 710072; 2. 水下信息與控制重點實驗室, 陜西 西安, 710072)

針對海流干擾作用下欠驅(qū)動自主水下航行器(AUV)的航路點跟蹤控制問題, 建立了水平面內(nèi)欠驅(qū)動AUV三自由度數(shù)學模型, 以相對于水流的前向速度和角速度為虛擬輸入, 設(shè)計了航路點跟蹤控制的運動學控制律, 然后基于反演方法設(shè)計了動力學控制律, 得到控制力和控制力矩。在航路點跟蹤控制仿真研究中, 指定AUV依次通過慣性坐標系內(nèi)一系列航路點, 仿真結(jié)果表明, 所設(shè)計的控制律有效, 欠驅(qū)動AUV能較好的完成航路點跟蹤任務(wù), 并到達最終目標點。

欠驅(qū)動自主水下航行器; 海流干擾; 航路點跟蹤; 反演法

0 引言

自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle, AUV)作為海洋開發(fā)的一項重要工具, 可以出色的完成多種民用與軍事任務(wù), 近年來取得了長足的發(fā)展[1]。AUV的航路點跟蹤控制作為AUV研究中的一個關(guān)鍵問題, 引起了人們的廣泛關(guān)注。所謂航路點跟蹤是指AUV出發(fā)后, 通過控制輸入作用使其向航路點運動, 當與之距離小于某個閾值時, 認為到達航路點并且開始向下一個航路點運動, 直至完成所有航路點運動。

實際應(yīng)用中, AUV任務(wù)環(huán)境復雜, 設(shè)計航路點跟蹤控制律時若忽略海流對AUV的干擾作用, 可能會導致AUV在最終目標點附近持續(xù)震蕩, 甚至脫離最終目標點。為了克服海流對AUV的干擾, 本文采用李雅普諾夫方法和反演技術(shù)設(shè)計了海流干擾下欠驅(qū)動AUV的運動學和動力學控制律[7,8], 使其依次通過慣性系內(nèi)給定的一系列航路點, 并收斂到最終目標點。

1 AUV水平面數(shù)學模型

AUV運動學方程

AUV動力學方程

2 問題描述

急性腎衰傷患者分級：患者的急性腎衰傷分級根據(jù)全球腎病預后組織制定的急性腎衰傷進行判斷，主要分為三期：急性腎衰傷Ⅰ期：血清肌酐值增加超過26.5 μmol/L，或者增加基線值在1.5～1.9倍；急性腎衰傷Ⅱ期：血清肌酐值增加基線值在2.0～2.9倍；急性腎衰傷Ⅲ期：血清肌酐值增加基線值在3倍以上。

圖1 AUV數(shù)學模型

3 航路點跟蹤控制律設(shè)計

3.1 運動學控制律設(shè)計

給出控制律

證明: 構(gòu)造李雅普諾夫函數(shù)

3.2 動力學控制律設(shè)計

引入如下誤差變量

構(gòu)造李雅普諾夫函數(shù)

4 航路點跟蹤仿真

圖2 AUV航路點跟蹤航跡圖

圖3 航路點跟蹤誤差變化曲線

圖4 AUV速度變化曲線

圖5 AUV縱向推力和偏航力矩變化曲線

5 結(jié)束語

AUV在實際航行中, 若忽略海流對它的影響, 將會導致嚴重后果, 本文針對海流干擾作用下欠驅(qū)動AUV的航路點跟蹤控制問題, 建立了水平面內(nèi)AUV三自由度運動學和動力學方程, 然后利用Lyapunov法和反演技術(shù)分別設(shè)計了運動學和動力學控制律。為了驗證控制律的有效性, 為AUV指定一系列航路點, 進行仿真分析, 結(jié)果表明, 所設(shè)計的控制律有效, 欠驅(qū)動AUV能有效克服海流的干擾, 較好的完成航路點跟蹤任務(wù)。

[1] 徐德民, 李俊, 嚴衛(wèi)生, 等. 自主水下航行器(AUV)的發(fā)展與關(guān)鍵技術(shù)[M]//中國科學技術(shù)前沿. 北京: 高等教育出版社, 2004.

[2] Breivik M. Nonlinear Maneuvering Control of Under- actuated Ships[D]. Trondhei：Norwegian University of Science Technology, 2003.

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Way-Point Tracking Control of an Underactuated AUV in the Presence of Ocean Current Disturbance

XIA Liang-sheng, YAN Wei-sheng

(1. College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China; 2. Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory, Xi′an 710072, China)

This paper addresses the problem ofway-point tracking control of an underactuated autonomous underwater vehicle (AUV) in the presence of oceancurrent disturbance. Kinematics and dynamics models for the AUV with three degrees of freedom in horizontal plane are established. A kinematic controller is designed with the dummy inputs of forward speed and angular velocity relative to the current. Then a dynamic controller is derived based on the Lyapunov theory and the backstepping techniques. Simulation results show that the underactuated AUV can effectively track the way-points in the inertial frame and reach the final destination with asymptotically converged tracking errors.

underactuated autonomous underwater vehicle(AUV); oceancurrent disturbance; way-point tracking; backstepping

TJ630.33; TP242.3

A

1673-1948(2011)04-0271-05

2011-04-06;

2011-04-28.

國家自然科學基金資助項目(60875071); 高等學校博士點基金資助項目(200806990008).

夏梁盛(1971-), 男, 在讀博士, 研究方向為水下航行器控制技術(shù)研究.

(責任編輯: 楊力軍)