基于MPC算法的AUV空间航迹跟踪控制
发布时间：2021-07-04 04:01
为了解决AUV在空间运动中的路径点跟踪控制问题,参照水下航行器的建模方法,建立AUV的六自由度动力学和运动学模型,采用水平面视线导航法计算AUV指令航向,采用垂直面制导算法计算AUV的垂直面指令深度、指令纵倾和指令深度速率。针对AUV的水平面和垂直面控制,设计基于状态空间形式的模型预测控制算法。通过仿真表明,所提出的空间航迹控制算法能达到较高的控制精度,采用的指令深度+指令纵倾+指令深度速率的控制方法能使AUV尽快航行至指令轨迹并跟踪垂直面航迹。设计的空间路径点跟踪控制算法对AUV后续的控制系统开发具有一定的参考意义。
【文章来源】：舰船科学技术. 2020,42(23)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
AUV的运动坐标系以及固定坐标系Fig.1Body-fixedframeandearth-fixedframeforAUV
00060]，[20002000140]，[0060]m，路径跟踪效果如图7所示。图8和图9分别为水平面和垂直面的航迹偏差。5结语本文针对AUV的空间路径点跟踪控制问题，采用水平面视线导航法计算AUV指令航向，采用垂直面制导算法计算AUV的垂直面指令深度、指令纵倾和指令深度速率，采用模型预测控制算法用于AUV的航向和深度控制。仿真结果表明，空间航迹控制算法能达到较高的控制精度，采用的指令深度+指令纵倾+指令深度速率的控制方法能使AUV尽快的航行至指令轨迹并图4路径点跟踪控制原理框图Fig.4Blockdiagramofwaypointtrackingcontrolprinciple·90·舰船科学技术第42卷
k)ek=n1LLn1PLOS(xlos,ylos)PLOSψlosψψlos(Pk1,Pk)PkR=n2Ln2Pk+1段的横向距离需收敛至0，同时航向角收敛至。运用视线导航法，首先由艇体质心至段路径的垂直距离以及（为艇长，为一正实数）可计算出视线导引点在固定坐标系下的坐标，再求取艇体质心至视线导引点的视线导航航向角，则航向角收敛至可确保艇体位置收敛到直线路径段。当艇体质心位于以路径点半径为（为正实数）的圆内，则将导航的目标点切换至下一个目标点。图2直线航迹段视线导航法示意图Fig.2Body-fixedframeandearth-fixedframeforAUV垂直面航迹制导算法如果采用视线导航算法将垂直面位置偏差解算为指令纵倾的会造成以下问题：1）AUV垂直面内航行对纵倾角有一定限制，采用视线导航法进行解算将造成部分参数难以调整。2）AUV在进行垂直面机动控制的过程中，深度速率的控制必须同时考虑垂向速度和纵倾，采用视线导航法解算指令纵倾角而忽略垂向速度，将引起较大的航迹控制偏差。因此，本文通过分析AUV垂直面运动特性以及仿真验证等方法，采用指令深度速率、指令深度以及指令纵倾三者结合的方式作为垂直面的航迹跟踪控制算法。其中指令深度与指令纵倾的解算方法如图3所示。当前时刻的指令深度为AUV当前位置点在航迹线上的投影点的垂直位置，其解算方法为：ζ=zk+1zkxk+1xk(xk+1xk)+zk+1，(6)xk式中：为距目标航迹点的纵向位移，指令纵倾为当χk:=atan2(zk+1zk,xk+1xk前航迹线的期望潜浮角)。由航迹线解算出的指令深度速率与AUV的当前航速相关，
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于滤波反步法的欠驱动AUV三维路径跟踪控制[J]. 王宏健,陈子印,贾鹤鸣,李娟,陈兴华. 自动化学报. 2015(03)
[2]自主式水下机器人自适应区域跟踪控制[J]. 张铭钧,褚振忠. 机械工程学报. 2014(19)
[3]生物启发AUV三维轨迹跟踪控制算法[J]. 朱大奇,张光磊,李蓉. 智能系统学报. 2014(02)
[4]一种新的AUV路径跟踪控制方法[J]. 王银涛,郑美云,严卫生. 西北工业大学学报. 2009(04)
本文编号：3263989
【文章来源】：舰船科学技术. 2020,42(23)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
AUV的运动坐标系以及固定坐标系Fig.1Body-fixedframeandearth-fixedframeforAUV
00060]，[20002000140]，[0060]m，路径跟踪效果如图7所示。图8和图9分别为水平面和垂直面的航迹偏差。5结语本文针对AUV的空间路径点跟踪控制问题，采用水平面视线导航法计算AUV指令航向，采用垂直面制导算法计算AUV的垂直面指令深度、指令纵倾和指令深度速率，采用模型预测控制算法用于AUV的航向和深度控制。仿真结果表明，空间航迹控制算法能达到较高的控制精度，采用的指令深度+指令纵倾+指令深度速率的控制方法能使AUV尽快的航行至指令轨迹并图4路径点跟踪控制原理框图Fig.4Blockdiagramofwaypointtrackingcontrolprinciple·90·舰船科学技术第42卷
k)ek=n1LLn1PLOS(xlos,ylos)PLOSψlosψψlos(Pk1,Pk)PkR=n2Ln2Pk+1段的横向距离需收敛至0，同时航向角收敛至。运用视线导航法，首先由艇体质心至段路径的垂直距离以及（为艇长，为一正实数）可计算出视线导引点在固定坐标系下的坐标，再求取艇体质心至视线导引点的视线导航航向角，则航向角收敛至可确保艇体位置收敛到直线路径段。当艇体质心位于以路径点半径为（为正实数）的圆内，则将导航的目标点切换至下一个目标点。图2直线航迹段视线导航法示意图Fig.2Body-fixedframeandearth-fixedframeforAUV垂直面航迹制导算法如果采用视线导航算法将垂直面位置偏差解算为指令纵倾的会造成以下问题：1）AUV垂直面内航行对纵倾角有一定限制，采用视线导航法进行解算将造成部分参数难以调整。2）AUV在进行垂直面机动控制的过程中，深度速率的控制必须同时考虑垂向速度和纵倾，采用视线导航法解算指令纵倾角而忽略垂向速度，将引起较大的航迹控制偏差。因此，本文通过分析AUV垂直面运动特性以及仿真验证等方法，采用指令深度速率、指令深度以及指令纵倾三者结合的方式作为垂直面的航迹跟踪控制算法。其中指令深度与指令纵倾的解算方法如图3所示。当前时刻的指令深度为AUV当前位置点在航迹线上的投影点的垂直位置，其解算方法为：ζ=zk+1zkxk+1xk(xk+1xk)+zk+1，(6)xk式中：为距目标航迹点的纵向位移，指令纵倾为当χk:=atan2(zk+1zk,xk+1xk前航迹线的期望潜浮角)。由航迹线解算出的指令深度速率与AUV的当前航速相关，
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于滤波反步法的欠驱动AUV三维路径跟踪控制[J]. 王宏健,陈子印,贾鹤鸣,李娟,陈兴华. 自动化学报. 2015(03)
[2]自主式水下机器人自适应区域跟踪控制[J]. 张铭钧,褚振忠. 机械工程学报. 2014(19)
[3]生物启发AUV三维轨迹跟踪控制算法[J]. 朱大奇,张光磊,李蓉. 智能系统学报. 2014(02)
[4]一种新的AUV路径跟踪控制方法[J]. 王银涛,郑美云,严卫生. 西北工业大学学报. 2009(04)
本文编号：3263989
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