【摘 要】
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欠驱动自主水下航行器（Autonomous underwater vehicle,AUV）由于具有更高的机动性和系统可靠性,在实现海洋科学调查、水下勘探和海洋目标探查等方面中起到了重要作用。然而实现AUV控制系统稳定的航迹跟踪是确保其在水下能够平稳可靠工作的关键。本文将针对欠驱动AUV系统存在洋流、输入受限、模型不确定性等问题设计航迹跟踪控制器。首先,建立欠驱动AUV运动控制系统数学模型。根据实际
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欠驱动自主水下航行器（Autonomous underwater vehicle,AUV）由于具有更高的机动性和系统可靠性,在实现海洋科学调查、水下勘探和海洋目标探查等方面中起到了重要作用。然而实现AUV控制系统稳定的航迹跟踪是确保其在水下能够平稳可靠工作的关键。本文将针对欠驱动AUV系统存在洋流、输入受限、模型不确定性等问题设计航迹跟踪控制器。首先,建立欠驱动AUV运动控制系统数学模型。根据实际情况对惯性坐标系和体坐标系的转换关系进行合理的简化,建立欠驱动AUV的五自由度运动学模型。根据刚体的牛顿-欧拉方程,通过受力分析得到动力学模型,同时,为了设计出强鲁棒的非线性控制器,对于欠驱动AUV控制特点进行分析。其次,针对欠驱动AUV的水平面航迹跟踪控制中存在执行器幅值受限和洋流扰动的问题,提出了虚速度控制策略,由滤波器对虚速度处理以降低控制算法的复杂度。并基于非线性干扰观测器和自适应神经网络滑模控制器设计了一种水平面航迹跟踪控制器,有效的降低洋流扰动和执行器幅值受限对控制器的影响。仿真对比结果表明所设计的控制器不仅响应更快,还具有更高的精度和鲁棒性。最后,针对欠驱动AUV在空间三维航迹跟踪控制系统中存在的模型参数不确定的问题,设计了基于扰动扩张观测器的非奇异终端滑模控制器。系统采用虚速度的控制策略,来镇定欠驱动AUV三维航迹跟踪的位置误差。为降低求导计算过程的复杂度,利用动态面控制对虚速度进行滤波处理。并利用扰动扩展观测器抑制模型不确定性和洋流的影响。通过仿真及对比,充分说明了该控制器有效性,且控制器的输出的更为平滑。
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