(天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 天津 300387)

海洋環(huán)境的復(fù)雜性、不可預(yù)知性和滑翔機(jī)自身模型的非線性對(duì)水下滑翔機(jī)的路徑跟蹤控制提出了較高的要求。目前水下滑翔機(jī)路徑跟蹤控制的主要方法有自抗擾控制[1]、模型參考控制[2]、滑模控制[3]等?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中針對(duì)滑翔機(jī)多目標(biāo)點(diǎn)直線路徑跟蹤問(wèn)題的考慮較少。本文在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，針對(duì)水下滑翔機(jī)進(jìn)行多直線目標(biāo)路徑跟蹤控制。

一、水下滑翔機(jī)動(dòng)力學(xué)建模

水下滑翔機(jī)PETREL-II 200是中國(guó)海洋大學(xué)孫秀軍團(tuán)隊(duì)推出的淺海型混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)，其坐標(biāo)系賦予如圖1所示?；铏C(jī)的動(dòng)力學(xué)方程可以表達(dá)為

圖1 PETREL-II 200坐標(biāo)系賦予

二、LOS導(dǎo)航與滑?？刂破髟O(shè)計(jì)

(一)LOS導(dǎo)航設(shè)計(jì)

LOS導(dǎo)航是路徑跟蹤導(dǎo)航領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛的一種導(dǎo)航方法，該導(dǎo)航方法將航跡跟蹤控制問(wèn)題轉(zhuǎn)換成一系列航向跟蹤控制問(wèn)題。

滑翔機(jī)當(dāng)前的位置點(diǎn)pc(xc,yc)由機(jī)載GPS傳感器獲取，目標(biāo)路徑由N個(gè)目標(biāo)點(diǎn)組成，滑翔機(jī)在跟蹤pkpk+1目標(biāo)路徑時(shí)，位置點(diǎn)pc(xc,yc)，pk(xk,yk)，pk+1(xk+1,yk+1)作為L(zhǎng)OS導(dǎo)航系統(tǒng)的輸入，則

(二)滑模控制器設(shè)計(jì)

定義滑翔機(jī)航向角誤差

針對(duì)滑翔機(jī)航向控制系統(tǒng)

其中，w(k)為過(guò)程噪聲，v(k)為測(cè)量噪聲，ψk+1為滑翔機(jī)實(shí)際航向輸出，f(*)與滑翔機(jī)動(dòng)力學(xué)模型相關(guān)。結(jié)合滑翔機(jī)實(shí)際采樣與控制規(guī)律，控制方法采用基于趨近律的離散滑?？刂?。設(shè)定切換函數(shù)為

基于指數(shù)趨近律的離散趨近律為

s(k+1)=s(k)+T(-εsgn(s(k))-qs(k))

由公式(6)和(7)，得到控制律為

(三)路徑跟蹤控制

路徑跟蹤控制具體流程如圖2所示，目標(biāo)點(diǎn)位置信息與滑翔機(jī)當(dāng)前位置信息的差值作為控制系統(tǒng)的輸入，LOS導(dǎo)航算法得到滑翔機(jī)期望航向角，滑模控制器輸入滑翔機(jī)航向信息和期望航向信息，以得到航向控制舵角輸出。

圖2 路徑跟蹤控制原理圖

三、實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證

(一)仿真實(shí)驗(yàn)

圖3 LOS導(dǎo)航控制軌跡

圖4 航向角

四、結(jié)論

(1)針對(duì)混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)的非線性動(dòng)力學(xué)模型和外界工作環(huán)境的隨機(jī)性，結(jié)合LOS導(dǎo)航提出水下滑翔機(jī)路徑跟蹤滑模控制器，該控制器能控制滑翔機(jī)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的路徑跟蹤控制。

(2)通過(guò)設(shè)計(jì)滑模切換面使航向控制系統(tǒng)在受到參數(shù)攝動(dòng)和外界干擾時(shí)具有不變性，提高了滑翔機(jī)航向控制過(guò)程中的魯棒性和可靠性。

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