夏梁盛, 嚴(yán)衛(wèi)生,2

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海流干擾作用下欠驅(qū)動AUV航路點(diǎn)跟蹤控制

夏梁盛1, 嚴(yán)衛(wèi)生1,2

(1. 西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安, 710072; 2. 水下信息與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(xué)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(jì)了航路點(diǎn)跟蹤控制的運(yùn)動學(xué)控制律, 然后基于反演方法設(shè)計(jì)了動力學(xué)控制律, 得到控制力和控制力矩。在航路點(diǎn)跟蹤控制仿真研究中, 指定AUV依次通過慣性坐標(biāo)系內(nèi)一系列航路點(diǎn), 仿真結(jié)果表明, 所設(shè)計(jì)的控制律有效, 欠驅(qū)動AUV能較好的完成航路點(diǎn)跟蹤任務(wù), 并到達(dá)最終目標(biāo)點(diǎn)。

欠驅(qū)動自主水下航行器; 海流干擾; 航路點(diǎn)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(xiàng)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(diǎn)跟蹤控制作為AUV研究中的一個(gè)關(guān)鍵問題, 引起了人們的廣泛關(guān)注。所謂航路點(diǎn)跟蹤是指AUV出發(fā)后, 通過控制輸入作用使其向航路點(diǎn)運(yùn)動, 當(dāng)與之距離小于某個(gè)閾值時(shí), 認(rèn)為到達(dá)航路點(diǎn)并且開始向下一個(gè)航路點(diǎn)運(yùn)動, 直至完成所有航路點(diǎn)運(yùn)動。

實(shí)際應(yīng)用中, AUV任務(wù)環(huán)境復(fù)雜, 設(shè)計(jì)航路點(diǎn)跟蹤控制律時(shí)若忽略海流對AUV的干擾作用, 可能會導(dǎo)致AUV在最終目標(biāo)點(diǎn)附近持續(xù)震蕩, 甚至脫離最終目標(biāo)點(diǎn)。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(jì)了海流干擾下欠驅(qū)動AUV的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)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(diǎn), 并收斂到最終目標(biāo)點(diǎn)。

1 AUV水平面數(shù)學(xué)模型

AUV運(yùn)動學(xué)方程

AUV動力學(xué)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(yù)后組織制定的急性腎衰傷進(jìn)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(xué)模型

3 航路點(diǎn)跟蹤控制律設(shè)計(jì)

3.1 運(yùn)動學(xué)控制律設(shè)計(jì)

給出控制律

證明: 構(gòu)造李雅普諾夫函數(shù)

3.2 動力學(xué)控制律設(shè)計(jì)

引入如下誤差變量

構(gòu)造李雅普諾夫函數(shù)

4 航路點(diǎn)跟蹤仿真

圖2 AUV航路點(diǎn)跟蹤航跡圖

圖3 航路點(diǎn)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(shí)際航行中, 若忽略海流對它的影響, 將會導(dǎo)致嚴(yán)重后果, 本文針對海流干擾作用下欠驅(qū)動AUV的航路點(diǎn)跟蹤控制問題, 建立了水平面內(nèi)AUV三自由度運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)方程, 然后利用Lyapunov法和反演技術(shù)分別設(shè)計(jì)了運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)控制律。為了驗(yàn)證控制律的有效性, 為AUV指定一系列航路點(diǎn), 進(jìn)行仿真分析, 結(jié)果表明, 所設(shè)計(jì)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(diǎn)跟蹤任務(wù)。

[1] 徐德民, 李俊, 嚴(yán)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(xué)技術(shù)前沿. 北京: 高等教育出版社, 2004.

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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(xué)基金資助項(xiàng)目(60875071); 高等學(xué)校博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(200806990008).

夏梁盛(1971-), 男, 在讀博士, 研究方向?yàn)樗潞叫衅骺刂萍夹g(shù)研究.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)