【摘 要】
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自主水下机器人凭借其鲜明的特点被广泛用于多种领域,比如海图绘制,军事国防,海洋研究,海底资源探测等。由于自主水下机器人在完成多种水下任务过程中,易受到各种未知干扰的影响,如风、海浪和海流等,故设计具有抗干扰能力的运动控制器尤为重要。因此本文针对自主水下机器人的运动和姿态控制系统,将干扰观测器与滑模控制方法和反步控制方法相结合,设计复合抗干扰控制器抑制外部干扰对自主水下机器人运动和姿态控制性能的不良
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自主水下机器人凭借其鲜明的特点被广泛用于多种领域,比如海图绘制,军事国防,海洋研究,海底资源探测等。由于自主水下机器人在完成多种水下任务过程中,易受到各种未知干扰的影响,如风、海浪和海流等,故设计具有抗干扰能力的运动控制器尤为重要。因此本文针对自主水下机器人的运动和姿态控制系统,将干扰观测器与滑模控制方法和反步控制方法相结合,设计复合抗干扰控制器抑制外部干扰对自主水下机器人运动和姿态控制性能的不良影响,提高自主水下机器人的稳定性和抗干扰能力。本文主要内容包括以下几个方面:（1）为了提高欠驱动自主水下机器人水平面系统在外部干扰影响下的航向跟踪控制性能,设计了一种基于非线性干扰观测器的复合滑模控制器。首先有条件的简化欠驱动自主水下机器人的水平面模型,建立简化模型的状态方程;其次构造非线性干扰观测器,设计基于干扰观测器的滑模控制器,根据Lyapunov稳定性理论选取合适的观测器和控制器的增益,确保闭环系统的稳定性。根据仿真结果得出:当存在外部干扰时,基于非线性干扰观测器的滑模控制器相比传统的滑模控制器,能够更好的实现自主水下机器人的航向跟踪控制,具有良好的抗干扰性能。（2）为了提高欠驱动自主水下机器人垂直面系统在外部干扰影响下的定深姿态控制性能,设计了一种基于干扰观测器的等效滑模控制器。首先遵循实际状况简化欠驱动自主水下机器人的垂直面模型,通过简化模型建立其状态方程;然后构造干扰观测器,基于干扰观测器设计系统的等效滑模控制器,通过Lyapunov稳定性理论验证整个控制系统的稳定性。根据仿真结果得出:当存在外部干扰时,该控制器相比传统的滑模控制器能够更好地实现自主水下机器人的垂直面定深控制,具备良好的抗干扰性能;而且本部分设计的干扰观测器同以往文献设计的干扰观测器相对比,可以更快速的对外部干扰进行估计。（3）为实现存在外部干扰情况下欠驱动自主水下机器人的三维直线路径跟踪控制,首先基于水下机器人运动学和动力学方程将路径跟踪控制问题转化为一个非线性系统的镇定问题;然后基于干扰观测器结合反步控制方法设计复合抗干扰控制器,并应用Lyapunov理论选取增益,保证系统的稳定性和鲁棒性。仿真结果表明:该部分设计的干扰观测器可以估计出外部干扰,从而设计的控制器能够实现对三维直线路径的精确跟踪,且具有良好的抗干扰性能。
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