面向海底地形勘探的欠驱动AUV运动控制

论文摘要

随着欠驱动自主式水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle,AUV）在海底地形勘探中的广泛使用,对于其在水下作业的运动控制问题的研究具有重要意义。由于欠驱动AUV的模型具有较强的非线性特性和强耦合性,并且考虑到海底流体作用的复杂、外界干扰和模型参数的不确定性,欠驱动AUV的运动控制问题便成为了难点热点问题。本文将基于海底地形勘探的背景,对欠驱动AUV的三维路径跟踪控制和地形跟踪控制方法,进行了以下几方面的工作:（1）基于刚体运动学、动力学理论,阐述了欠驱动AUV的六自由度空间运动模型的建立过程。针对挪威科技大学（NTNU）AUV,进行了模型简化,从而得到本文的研究对象的运动模型。最后进行了操纵性仿真计算,验证了提出模型的可用性。（2）针对基于坐标点的三维路径跟踪运动控制问题,通过引入Serret-Frenet局部坐标系和视线法（line-of-sight,LOS）制导律,将路径跟踪的位置误差镇定转换为视线角误差的镇定;基于李雅普诺夫（Lyapunov）直接法,设计虚拟控制律,用以镇定视线角误差;接着引入了积分滑模面并根据模型参数摄动上界设计了切换控制律;考虑未知扰动约束的问题,利用RBF（Radial Basis Function）神经网络对于参数摄动上界进行逼近,重新设计切换增益并进行了 Lyapunov稳定性分析;最后,仿真实现了对三维直线路径的跟踪控制。（3）针对垂直面地形跟踪运动控制问题,引入了基于虚拟跟踪点的Serret-Frenet坐标系,建立了垂直面误差运动模型。为简化控制器,基于Lyapunov直接法设计了反馈增益形式的虚拟控制律,消除了非线性耦合项;接着,引入基于双幂次趋近律的非奇异快速终端滑模面设计动力学控制器;考虑外界扰动,引入了非线性干扰观测器进行控制律补偿,并进行了 Lyapunov稳定性证明。最后,考虑在不同外界扰动约束条件下,仿真实现了对多种地形的跟踪控制。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
•   1.1 课题的研究目的及意义
•   1.2 国内外的研究现状
•     1.2.1 欠驱动AUV路径跟踪控制
•     1.2.2 欠驱动AUV地形跟踪控制
•   1.3 论文的主要工作和章节安排
• 2 欠驱动AUV非线性运动控制理论基础
•   2.1 李雅普诺夫稳定性理论
•     2.1.1 基本概念
•     2.1.2 李雅普诺夫稳定性定理
•   2.2 滑模变结构控制
•     2.2.1 滑模变结构控制基本原理
•     2.2.2 几种典型趋近律
•     2.2.3 终端滑模控制方法
•   2.3 RBF神经网络方法概述
• 3 欠驱动AUV的非线性运动模型的建立
•   3.1 引言
•   3.2 欠驱动AUV运动学方程
•     3.2.1 坐标系的建立和参数符号的选取
•     3.2.2 欠驱动AUV的运动学模型
•   3.3 欠驱动AUV的动力学方程
•     3.3.1 建立欠驱动AUV的一般力学关系
•     3.3.2 所受静力分析
•     3.3.3 水动力的表示
•     3.3.4 欠驱动AUV的空间六自由度数学模型
•   3.4 欠驱动AUV模型操纵性仿真计算
•     3.4.1 NTNU AUV的非线性空间运动模型建立
•     3.4.2 水平面Z形操纵仿真计算
•     3.4.3 三维螺旋下潜仿真计算
•   3.5 外界干扰量分析
•   3.6 小结
• 4 欠驱动AUV的神经积分滑模三维路径跟踪运动控制
•   4.1 引言
•   4.2 三维路径点的制导律及运动学回路设计
•   4.3 基于积分滑模控制方法的动力学控制器设计
•     4.3.1 基于积分滑模控制方法的动力学控制器设计
•     4.3.2 李雅普诺夫稳定性分析
•   4.4 基于RBF神经网络的自适应切换控制律设计
•     4.4.1 RBF神经网络自适应切换控制律设计
•     4.4.2 李雅普诺夫稳定性分析
•   4.5 仿真计算结果与分析
•     4.5.1 确定扰动上界下的三维路径跟踪控制仿真算例
•     4.5.2 未知扰动上届约束下的三维路径跟踪控制仿真算例
•   4.6 小结
• 5 欠驱动AUV的地形跟踪运动控制
•   5.1 引言
•   5.2 垂直面地形跟踪运动误差模型
•     5.2.1 垂直面运动模型
•     5.2.2 误差跟踪方程建立
•   5.3 地形跟踪运动控制器设计
•     5.3.1 基于反馈增益的运动学控制器设计
•     5.3.2 基于双幂次趋近律的非奇异快速终端滑模动力学控制器设计
•     5.3.3 基于非线性干扰观测器的补偿控制律设计
•     5.3.4 李雅普诺夫稳定性分析
•   5.4 仿真计算结果与分析
•     5.4.1 斜坡地形仿真算例
•     5.4.2 曲线地形仿真算例
•     5.4.3 拟合曲线地形仿真算例
•   5.5 小结
• 6 结论与展望
•   6.1 结论
•   6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历及攻读硕士学位期间的科研成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 霍宇彤

导师: 郭晨,刘义

关键词: 欠驱动,跟踪控制,滑模控制,虚拟控制律,神经网络

来源: 大连海事大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 自然地理学和测绘学,海洋学

单位: 大连海事大学

分类号: P229.1;P715

DOI: 10.26989/d.cnki.gdlhu.2019.001547

总页数: 91

文件大小: 6173K

下载量: 46