胡亞強(qiáng) 于金鵬 趙林 于海生

摘要：為解決考慮輸入飽和的自治水下機(jī)器人的位置跟蹤問題，本文采用自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)命令濾波控制方法，設(shè)計(jì)了對(duì)自治水下機(jī)器人進(jìn)行位置跟蹤控制器。利用反步法構(gòu)造考慮輸入飽和的控制器，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)逼近自治水下機(jī)器人系統(tǒng)中的非線性項(xiàng)，同時(shí)采用命令濾波技術(shù)解決計(jì)算爆炸問題，引入誤差補(bǔ)償機(jī)制，降低濾波誤差帶來(lái)的影響。通過(guò)選取合適的李雅普諾夫函數(shù)求出自適應(yīng)律，證明閉環(huán)系統(tǒng)的所有信號(hào)有界。仿真結(jié)果表明，該控制器可以使水下機(jī)器人系統(tǒng)中的位置跟蹤誤差收斂到一個(gè)足夠小的鄰域內(nèi)。該研究具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò); 命令濾波器; 輸入飽和; 自治水下機(jī)器人

中圖分類號(hào)： TP242.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

文章編號(hào)： 10069798（2019）01009506; DOI： 10.13306/j.10069798.2019.01.017

海洋蘊(yùn)藏著豐富的資源，隨著全球能源的不斷消耗，各國(guó)對(duì)于海洋資源的開發(fā)愈演愈烈[1]。目前，自治水下機(jī)器人（autonomous underwater vehicles，AUV）由于具有可以自帶能源，與水面母船無(wú)線通訊，成本低，隱蔽性能好等優(yōu)點(diǎn)，被大量應(yīng)用在海底作業(yè)中。然而由于AUV的高度非線性和變量多的性質(zhì)，使得在AUV系統(tǒng)中的控制效果不明顯。為了實(shí)現(xiàn)良好的控制效果，專家學(xué)者們提出了滑模控制[2]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制[3]和反步法控制[4]等控制方法。AUV系統(tǒng)中含有未知量和非線性項(xiàng)，反步法是可有效解決系統(tǒng)中含有未知量問題的控制方法之一。反步法的核心思想是將一個(gè)復(fù)雜的高階系統(tǒng)分解為多個(gè)子系統(tǒng)，然后將虛擬控制信號(hào)引入各子系統(tǒng)，同時(shí)選擇適當(dāng)?shù)睦钛牌罩Z夫函數(shù)對(duì)控制輸入進(jìn)行系統(tǒng)推導(dǎo)，從而簡(jiǎn)化控制器的設(shè)計(jì)過(guò)程。在傳統(tǒng)的反步控制中，對(duì)虛擬函數(shù)連續(xù)求導(dǎo)容易導(dǎo)致“計(jì)算爆炸”問題[5]。D. Swaroop等人[6]提出動(dòng)態(tài)面方法來(lái)解決計(jì)算“爆炸問題”;王世軍等人[7]對(duì)AUV系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于反步法的動(dòng)態(tài)面控制，雖然這種方法對(duì)AUV系統(tǒng)進(jìn)行了有效的位置跟蹤控制，但是沒有考慮濾波器帶來(lái)的誤差和AUV系統(tǒng)中輸入飽和的問題。命令濾波[89]能夠在解決“計(jì)算爆炸”問題的同時(shí)，引入誤差補(bǔ)償機(jī)制以降低濾波誤差帶來(lái)的影響[1011]，可以作為動(dòng)態(tài)面技術(shù)的一種替代。在實(shí)際控制系統(tǒng)中，常常會(huì)遇到的非線性問題之一就是輸入飽和問題，發(fā)生該問題的原因是實(shí)際控制系統(tǒng)中的輸入信號(hào)往往是有界的，它會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)的控制效果乃至穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[12]。因此，本文針對(duì)二階的AUV系統(tǒng)，提出一種考慮輸入飽和的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)命令濾波位置跟蹤控制方法。與傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)面方法相比，本文提出的方法可以利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)逼近系統(tǒng)中的非線性項(xiàng)，引入誤差補(bǔ)償機(jī)制降低濾波誤差帶來(lái)的影響，而且考慮了AUV系統(tǒng)中的輸入飽和問題。本文提出的控制方法使水下機(jī)器人系統(tǒng)中的位置跟蹤誤差收斂到一個(gè)足夠小的鄰域內(nèi)，為位置跟蹤問題提供了研究依據(jù)。

4結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)自治水下機(jī)器人系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)了一種考慮輸入飽和的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)命令濾波位置跟蹤控制器。首先，利用反步法構(gòu)造考慮輸入飽和的控制率并使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)逼近自治水下機(jī)器人系統(tǒng)中的非線性項(xiàng)。隨后，采用命令濾波技術(shù)以解決計(jì)算爆炸問題，同時(shí)引入誤差補(bǔ)償機(jī)制降低濾波誤差帶來(lái)的影響，最后構(gòu)造自適應(yīng)律并證明系統(tǒng)的穩(wěn)定性。仿真結(jié)果表明通過(guò)以上步驟構(gòu)造的控制器在考慮輸入飽和的情況下可以使水下機(jī)器人系統(tǒng)中的位置跟蹤誤差收斂到一個(gè)小鄰域內(nèi)，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)控制器的有效性。

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