基于模糊逼近补偿法的AUV位形切换饱和跟踪控制研究

发布时间：2020-07-02 18:54

【摘要】：海洋蕴藏着丰富的能源、矿产和生物资源,是一个拥有巨大发展潜力的空间,特别是进入21世纪,逐渐成为世界关注的焦点之一。探索和开发海洋归根结底需要专业化、智能化的海洋工程装备,自主水下机器人AUV(Autonomous Underwater Vehicle)作为海洋工程装备的一支生力军,目前正向着更深、更广的海洋空间迈进。智能运动控制技术是AUV核心技术之一,但由于外部复杂多变的海洋环境、本体的非线性水动力系数、艇载推进器的动力学延滞及输入饱和特性、加之大范围内变速精细探测需求,使得AUV位形切换下运动控制问题非常具有挑战性。因此,本文开展基于模糊逼近补偿法的AUV位形切换饱和跟踪控制研究具有重要的理论和迫切的实用价值。本文在充分调研国内外关于AUV航迹跟踪控制方面研究成果的基础上,结合探测作业型AUV的运动特点,总结出输入饱和及动力学延滞约束下AUV位形切换路径跟踪控制为本文研究目标,以实验室AUV样机为研究对象,通过运动建模、算法设计、理论分析与对比仿真等手段,从二维解耦控制到三维耦合控制、从欠驱动位形到多位形切换,系统性地开展相关研究工作,综合解决系统不确定性、输入饱和、动力学延滞和位形切换耦合作用下样机路径跟踪控制难题。本文的创新点及研究内容如下:(1)完整AUV动力学建模以及基于操纵性预报的推进性能评估:在现有AUV一般性动力学建模基础上,细化了本文研究对象AUV样机全航速域内舵面、主推及辅推等艇载驱动执行器的推进模型,特别是辅推推力随前向速度的非线性建模,并考虑了执行器固有的输入饱和以及动力学延滞双重特性。基于完整的AUV样机动力学模型,分别完成了全航速域内舵面和辅推作用下的操纵预报以及推进性能评估,由此确定出高速欠驱动和低速全驱动分别对应的航速区间,设计光滑的执行器“逻辑切换流”桥接高速与低速之间过渡航速带,为后续位形切换提供数据支撑和理论依据。(2)基于模糊逼近补偿法的鲁棒有界自适应路径跟踪控制器:从航速域内驱动位形最大交集对应的欠驱动模式出发,考虑了舵机输出动力学诱发的力矩“延滞”特性,其使得动力学系统阶数提高,为此,基于时变视线制导和反馈线性反步法设计了依赖于模型参数的高阶路径跟踪控制器。然后,基于上述一致框架,利用自适应模糊逼近和自适应误差估计技术解决了系统不确定性和反步高阶复杂计算等难题,避免了对水动力学参数的依赖,同时避免了动力学特性诱发的高阶反步计算及其潜在的控制输出抖动行为。接着,在上述一致框架中引入抗执行器饱和的自适应模糊补偿器,消除欠驱动路径跟踪时输入饱和“截断”诱发的潜在失稳行为。最后,不同控制器以及与经典模型的对比仿真验证了所设计的鲁棒有界自适应控制器较优的控制品质。(3)位形切换下AUV样机鲁棒有界自适应跟踪控制:考虑前向速度变化需求诱发的位形切换难题,设计了俯仰主动控制和垂向被动控制的理念,完成了归一化的AUV样机位形切换跟踪控制架构设计。基于前述模糊逼近补偿法设计了变速前向速度跟踪控制器和归一化俯仰力矩自适应控制器。依据光滑的执行器“逻辑切换流”和归一化饱和俯仰力矩设计了光滑有界的“推力分配流”,再融合垂向推力被动控制理念,设计阈值分析和滑动分配策略,确保水平舵和艏艉垂推指令分配的唯一性与有界性,实现“不失真”的位形切换,从而使得AUV控制的稳定性相对独立于执行器的切换。不同初始状态和突变环境干扰下的对比仿真验证了所设计的二维垂直面位形切换控制器作用下AUV样机位姿跟踪误差的渐近稳定性和推进按需有界分配的特性。(4)基于改良视线制导的级联式三维路径精确跟踪和位形切换控制:针对三维空间多变量非线性耦合难点,设计以运动学制导和动力学跟踪为前后子系统的级联式控制架构,避免了全系统反步设计时高阶导数以及空间曲率和挠率计算。在运动学制导阶段,引入移动的空间路径坐标系,消除了空间Serrent-Frenet坐标系第三次额外绕x轴旋转的耦合效应。设计了空间坐标变换“等价原理”修正传统的三维视线制导律,精确地阐明了方向角和姿态角之间非线性耦合关系。再辅以Lyapunov技术,最终将多变量空间耦合下的位置误差“解耦”成角速度误差。进而,可将二维饱和跟踪控制律直接移植到三维路径跟踪中,完成三维动力学控制器的快速设计。基于此理念,在二维控制器设计的基础上,依次解决了多变量空间耦合下AUV样机三维路径精确跟踪以及位形切换控制研究,并予以级联稳定性分析,以及与经典PID控制器之间、不同初始状态下、突变环境干扰下的对比仿真验证。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U674.941
【图文】：

水下机器人,航迹,海洋作业,探索者

很大程度上归咎于海洋工程装备及技术的不足。水下机器人作为一种智能型和复合型的海洋作业工具，解除了潜水员在作业深度和作业环境的约束。相比于有缆遥控水下机器人 ROV（Remotely Operated Vehicle），自主水下机器人 AUV（Autonomous Underwater Vehicle）不拖带电缆，具有无人驾驶航行、智能化程度高、监测范围灵活以及隐蔽性强等特点，投放入水后好似一个英雄勇敢地完成赋予的海洋作业任务。如图 1-1（a）所示，是 20 世纪末我国首台 AUV 原理样机“探索者”，图 1-1（b）所示则展示了 21 世纪初美国 REMUS 家族系列中最大深潜 AUV“REMUS 6000”。回顾 AUV 这数十年的发展，我们见证了 AUV 从无到有、从少量研制到产品开发的年轻历程。可以说，现如今 AUV 已逐渐成为水下机器人领域的重要分支、探索偌大海洋的一支生力军，在民事、商业和军事领域发挥着举足轻重的作用[5]-[10]。譬如，包括但不局限于协助潜水员[11]、环境评估[12]、水下信息采样[13]、热液喷口探测[14]、区域搜索[15]、坝面裂痕检测[16][17]、海床测绘[18]、海底管道和光缆的跟踪检测[19]-[21]、水下干预[22]等。

视线,向量场,欠驱动系统,航迹跟踪

华中科技大学博士学位论文从二维和三维两方面来回顾经典的理想航迹跟踪控制：（1）二维航迹跟踪控制二维的 AUV 理想跟踪控制器设计类似于水面无人艇 USV（Unmanned SurfaceVehicle），归咎于它们在水平面运动时均有进退、横移和偏航三个自由度，控制输入往往只有一个艉推和一个垂直舵，无法独立产生侧向横移推力，故它们属于一类典型的欠驱动系统。为此，传统的 USV 自动驾控系统无法直接控制其侧向位置偏差，而是通过航向控制从而达到间接控制位置和航向的双重目标。由此可见，侧向位置偏差向航向偏差的转化是这类欠驱动系统首先需要解决的问题，比较常用的两种转化方法包括视线制导法和向量场法，如图 1-2 所示。

【参考文献】