自主式無(wú)人水下航行器航向自適應(yīng)滑?？刂?/h1>
2014-03-08 06:43:40趙賀偉宋召青于華國(guó)
艦船科學(xué)技術(shù) 2014年5期
趙賀偉，宋召青，于華國(guó)
(1.海軍航空工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264001;2.中國(guó)人民解放軍92154部隊(duì)，山東 煙臺(tái) 264001）
自主式無(wú)人水下航行器航向自適應(yīng)滑?？刂?/p>
趙賀偉1，宋召青1，于華國(guó)2
(1.海軍航空工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264001;2.中國(guó)人民解放軍92154部隊(duì)，山東 煙臺(tái) 264001）
無(wú)人水下航行器是未來(lái)水下戰(zhàn)場(chǎng)的重要武器裝備，對(duì)其運(yùn)動(dòng)控制的研究得到廣泛關(guān)注，其中航向控制的實(shí)現(xiàn)是研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。對(duì)無(wú)人水下航行器六自由度動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到橫向運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程，并將偏航角作為控制對(duì)象，采用滑?？刂频姆椒▽?shí)現(xiàn)對(duì)航向角的跟蹤控制，并引入自適應(yīng)機(jī)制在線估計(jì)未知參數(shù)，減小參數(shù)不確定性對(duì)穩(wěn)定性的影響。通過(guò)對(duì)控制算法的仿真，結(jié)果表明了控制器設(shè)計(jì)的正確性。
無(wú)人水下航行器;自適應(yīng);滑模;仿真
0 引言
無(wú)人水下航行器［1］(Unmanned Underwater Vehicle，UUV）作為未來(lái)水下信息戰(zhàn)、反潛掃雷、搜索探測(cè)和水下攻擊作戰(zhàn)平臺(tái)，在未來(lái)水下戰(zhàn)場(chǎng)中將起到至關(guān)重要的作用，因此越來(lái)越受到各國(guó)的廣泛關(guān)注，并有很多國(guó)家開(kāi)展了研究工作。在多項(xiàng)研究熱點(diǎn)中，航行器的航向控制是其中較為重要的內(nèi)容，航向控制對(duì)于航行器執(zhí)行各種任務(wù)起著決定性作用，然而自主式無(wú)人水下航行器的數(shù)學(xué)模型是一種非線性高度強(qiáng)耦合模型，并且模型中存在未建模動(dòng)態(tài)，探索有效的控制策略一直是眾多學(xué)者研究的目標(biāo)。本文采用滑?？刂苼?lái)跟蹤控制航向角，并且結(jié)合自適應(yīng)方法來(lái)在線估計(jì)未知參數(shù)，令UUV的航向控制達(dá)到較好效果。
1 UUV的數(shù)學(xué)模型
采用Fossen研究成果［2］中的六自由度的非線性動(dòng)態(tài)模型，2個(gè)坐標(biāo)系為慣性坐標(biāo)系o-xoyozo和體坐標(biāo)系b-xbybzb，假設(shè)如下:
1）UUV為深潛航行器，可以忽略海浪的影響;
2）UUV是左右舷對(duì)稱(chēng)的細(xì)長(zhǎng)形狀;
3）UUV的重心位于浮心正下方。
UUV 的運(yùn)動(dòng)方程［3］如下:
2 UUV航向的自適應(yīng)滑模控制
通常情況下，將UUV的動(dòng)態(tài)模型解耦為縱向運(yùn)動(dòng)模型和橫向運(yùn)動(dòng)模型，縱向運(yùn)動(dòng)變量包括u，w，q，n，d，θ，橫向運(yùn)動(dòng)變量包括 v，p，r，e，φ，ψ 。
2.1 橫向運(yùn)動(dòng)模型
其中Ω'為未建模動(dòng)態(tài)項(xiàng)，通過(guò)滑模控制來(lái)實(shí)現(xiàn)存在未建模動(dòng)態(tài)情況下航向角的跟蹤控制，并引入自適應(yīng)機(jī)制來(lái)在線估計(jì)未知參數(shù)，提高滑?？刂频男阅堋Ｍㄟ^(guò)控制垂直舵 δr來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)航向的控制［6］。
2.2 控制律設(shè)計(jì)
3 航向角控制仿真
圖1 控制輸入 (垂直舵角）曲線Fig.1 Control input(vertical rudder angle）curve
圖2 航向角跟蹤曲線Fig.2 The heading angle tracking curve
結(jié)果分析:對(duì)航向角的跟蹤控制，針對(duì)外界干擾，采用了滑模控制方法，利用其對(duì)外界干擾的不變性優(yōu)點(diǎn)，在提高控制精度的同時(shí)需要較高的控制輸入量，因此引入自適應(yīng)機(jī)制，在線估計(jì)不確定參數(shù)，降低參數(shù)不確定性對(duì)滑?？刂频南拗疲岣呋？刂频男阅堋Ｍㄟ^(guò)航向角跟蹤曲線，說(shuō)明了控制律和自適應(yīng)律設(shè)計(jì)的正確性。
4 結(jié)語(yǔ)
目前，自主式無(wú)人水下航行器的運(yùn)動(dòng)控制研究得到廣泛關(guān)注，而其航向的有效控制是其中重要的環(huán)節(jié)。由于水下航行器的動(dòng)力學(xué)模型為強(qiáng)耦合非線性，模型中的參數(shù)變化不確定且存在未建模動(dòng)態(tài)特性，而且其控制研究需要考慮海流因素的影響。對(duì)于航向控制的實(shí)現(xiàn)，采用滑模控制并引入自適應(yīng)機(jī)制在線估計(jì)不確定參數(shù)的方法能夠得到理想的效果。對(duì)設(shè)計(jì)的控制算法進(jìn)行仿真，可以看出偏航角的跟蹤效果比較理想，能夠滿足無(wú)人水下航行器在執(zhí)行各項(xiàng)任務(wù)時(shí)對(duì)航向控制的要求。
［1］蔣新松，封錫盛.水下機(jī)器人［M］.沈陽(yáng):遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2000:56－59.
JIANG Xin-song，F(xiàn)ENG Xi-sheng.Robot underwater［M］.Shenyang:Science and Technology Press of Liaoning，2000:56－59.
［2］FOSSEN T I.(1994）.Guidance and control of ocean vehicles.John Wiley and sons Ltd.ISBN 0 －471 －94113－1.
［3］ROBERTS G N，SUTTON R.Advances in unmanned marine vehicles［M］.IEE，2009:25 －30.
［4］高劍.自主式水下航行器建模與自適應(yīng)滑?？刂疲跠］.西安:西北工業(yè)大學(xué)，2004:39－41.
GAO jian.Modeling and adaptive sliding mode control of autonomouse underwater vehicle［D］.Xi'an:Journal of Northwestern Polytechnical University，2004:39 －41.
［5］IVANA P，RAFAEL F.Adaptive control of a quadrotor with dynamic changes in the center of gravity［C］.The18th IFACWorld Congress Milano，2011，8.28 －9.2.
［6］高劍，徐德民，李俊，等.自主水下航行器軸向運(yùn)動(dòng)的自適應(yīng)反演滑?？刂疲跩］.西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，25(3）:553－555.
GAO jian，XU De-min，LI Jun，et al.Adaptive backsteping sliding mode control of axial movement of autonomous underwater vehicle［J］.Journal of Northwestern Polytechnical University，2005，25(3）:553 －555.
［7］徐德民.魚(yú)雷自動(dòng)控制系統(tǒng)［M］.西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，2001:16－27.
XU De-min.Automatic control system of the torpedo［M］.Xi'an:Journal of Northwestern Polytechnical University，2001:16－27.
Adaptive sliding mode control for course of autonomous unmanned underwater vehicle
ZHAO He-wei1，SONG Zhao-qing1，YU Hua-guo2
(1.Naval Aeronautical and Astronautical University，Yantai264001，China;2.No.92154 Unit of PLA，Yantai264001，China）
Unmanned Underwater Vehicle is important weaponry in underwater battlefield of future.Studying of motion control for UUV has been concerned.Achieving course control is the hot spot.Simplifying six degrees of freedom equations ofmotion of UUV，lateralmovement equations can be gained.Slidingmodel controlling is used for controlling heading angle and through that the adaptivemechanism work for estimating unknown parameter online，impact on stability is declined.The results of simulation clarify that the design of controller is right.
unmanned underwater vehicle;adaptive;slidemode;simulation
TG156
A
1672－7649(2014）05－0106－04
10.3404/j.issn.1672－7649.2014.05.022
2013－05－08;
2013－08－14
海軍航空工程學(xué)院碩士研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(20135584010）
趙賀偉(1985－），男，碩士研究生，助理工程師，研究方向?yàn)橹悄芸刂婆c應(yīng)用，以及自適應(yīng)控制。
book=5,ebook=468
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趙賀偉，宋召青，于華國(guó)
(1.海軍航空工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264001;2.中國(guó)人民解放軍92154部隊(duì)，山東 煙臺(tái) 264001）
自主式無(wú)人水下航行器航向自適應(yīng)滑?？刂?/p>
趙賀偉1，宋召青1，于華國(guó)2
(1.海軍航空工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264001;2.中國(guó)人民解放軍92154部隊(duì)，山東 煙臺(tái) 264001）
無(wú)人水下航行器是未來(lái)水下戰(zhàn)場(chǎng)的重要武器裝備，對(duì)其運(yùn)動(dòng)控制的研究得到廣泛關(guān)注，其中航向控制的實(shí)現(xiàn)是研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。對(duì)無(wú)人水下航行器六自由度動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到橫向運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程，并將偏航角作為控制對(duì)象，采用滑?？刂频姆椒▽?shí)現(xiàn)對(duì)航向角的跟蹤控制，并引入自適應(yīng)機(jī)制在線估計(jì)未知參數(shù)，減小參數(shù)不確定性對(duì)穩(wěn)定性的影響。通過(guò)對(duì)控制算法的仿真，結(jié)果表明了控制器設(shè)計(jì)的正確性。
無(wú)人水下航行器;自適應(yīng);滑模;仿真
0 引言
無(wú)人水下航行器［1］(Unmanned Underwater Vehicle，UUV）作為未來(lái)水下信息戰(zhàn)、反潛掃雷、搜索探測(cè)和水下攻擊作戰(zhàn)平臺(tái)，在未來(lái)水下戰(zhàn)場(chǎng)中將起到至關(guān)重要的作用，因此越來(lái)越受到各國(guó)的廣泛關(guān)注，并有很多國(guó)家開(kāi)展了研究工作。在多項(xiàng)研究熱點(diǎn)中，航行器的航向控制是其中較為重要的內(nèi)容，航向控制對(duì)于航行器執(zhí)行各種任務(wù)起著決定性作用，然而自主式無(wú)人水下航行器的數(shù)學(xué)模型是一種非線性高度強(qiáng)耦合模型，并且模型中存在未建模動(dòng)態(tài)，探索有效的控制策略一直是眾多學(xué)者研究的目標(biāo)。本文采用滑?？刂苼?lái)跟蹤控制航向角，并且結(jié)合自適應(yīng)方法來(lái)在線估計(jì)未知參數(shù)，令UUV的航向控制達(dá)到較好效果。
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1）UUV為深潛航行器，可以忽略海浪的影響;
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3）UUV的重心位于浮心正下方。
UUV 的運(yùn)動(dòng)方程［3］如下:
2 UUV航向的自適應(yīng)滑模控制
通常情況下，將UUV的動(dòng)態(tài)模型解耦為縱向運(yùn)動(dòng)模型和橫向運(yùn)動(dòng)模型，縱向運(yùn)動(dòng)變量包括u，w，q，n，d，θ，橫向運(yùn)動(dòng)變量包括 v，p，r，e，φ，ψ 。
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2.2 控制律設(shè)計(jì)
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圖1 控制輸入 (垂直舵角）曲線Fig.1 Control input(vertical rudder angle）curve
圖2 航向角跟蹤曲線Fig.2 The heading angle tracking curve
結(jié)果分析:對(duì)航向角的跟蹤控制，針對(duì)外界干擾，采用了滑模控制方法，利用其對(duì)外界干擾的不變性優(yōu)點(diǎn)，在提高控制精度的同時(shí)需要較高的控制輸入量，因此引入自適應(yīng)機(jī)制，在線估計(jì)不確定參數(shù)，降低參數(shù)不確定性對(duì)滑?？刂频南拗疲岣呋？刂频男阅堋Ｍㄟ^(guò)航向角跟蹤曲線，說(shuō)明了控制律和自適應(yīng)律設(shè)計(jì)的正確性。
4 結(jié)語(yǔ)
目前，自主式無(wú)人水下航行器的運(yùn)動(dòng)控制研究得到廣泛關(guān)注，而其航向的有效控制是其中重要的環(huán)節(jié)。由于水下航行器的動(dòng)力學(xué)模型為強(qiáng)耦合非線性，模型中的參數(shù)變化不確定且存在未建模動(dòng)態(tài)特性，而且其控制研究需要考慮海流因素的影響。對(duì)于航向控制的實(shí)現(xiàn)，采用滑模控制并引入自適應(yīng)機(jī)制在線估計(jì)不確定參數(shù)的方法能夠得到理想的效果。對(duì)設(shè)計(jì)的控制算法進(jìn)行仿真，可以看出偏航角的跟蹤效果比較理想，能夠滿足無(wú)人水下航行器在執(zhí)行各項(xiàng)任務(wù)時(shí)對(duì)航向控制的要求。
［1］蔣新松，封錫盛.水下機(jī)器人［M］.沈陽(yáng):遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2000:56－59.
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［2］FOSSEN T I.(1994）.Guidance and control of ocean vehicles.John Wiley and sons Ltd.ISBN 0 －471 －94113－1.
［3］ROBERTS G N，SUTTON R.Advances in unmanned marine vehicles［M］.IEE，2009:25 －30.
［4］高劍.自主式水下航行器建模與自適應(yīng)滑?？刂疲跠］.西安:西北工業(yè)大學(xué)，2004:39－41.
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［5］IVANA P，RAFAEL F.Adaptive control of a quadrotor with dynamic changes in the center of gravity［C］.The18th IFACWorld Congress Milano，2011，8.28 －9.2.
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GAO jian，XU De-min，LI Jun，et al.Adaptive backsteping sliding mode control of axial movement of autonomous underwater vehicle［J］.Journal of Northwestern Polytechnical University，2005，25(3）:553 －555.
［7］徐德民.魚(yú)雷自動(dòng)控制系統(tǒng)［M］.西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，2001:16－27.
XU De-min.Automatic control system of the torpedo［M］.Xi'an:Journal of Northwestern Polytechnical University，2001:16－27.
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ZHAO He-wei1，SONG Zhao-qing1，YU Hua-guo2
(1.Naval Aeronautical and Astronautical University，Yantai264001，China;2.No.92154 Unit of PLA，Yantai264001，China）
Unmanned Underwater Vehicle is important weaponry in underwater battlefield of future.Studying of motion control for UUV has been concerned.Achieving course control is the hot spot.Simplifying six degrees of freedom equations ofmotion of UUV，lateralmovement equations can be gained.Slidingmodel controlling is used for controlling heading angle and through that the adaptivemechanism work for estimating unknown parameter online，impact on stability is declined.The results of simulation clarify that the design of controller is right.
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TG156
A
1672－7649(2014）05－0106－04
10.3404/j.issn.1672－7649.2014.05.022
2013－05－08;
2013－08－14
海軍航空工程學(xué)院碩士研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(20135584010）
趙賀偉(1985－），男，碩士研究生，助理工程師，研究方向?yàn)橹悄芸刂婆c應(yīng)用，以及自適應(yīng)控制。
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