没有合适的资源?快使用搜索试试~ 我知道了~
基于反馈线性化的AUV三维轨迹跟踪滑模控制.docx
1.该资源内容由用户上传,如若侵权请联系客服进行举报
2.虚拟产品一经售出概不退款(资源遇到问题,请及时私信上传者)
2.虚拟产品一经售出概不退款(资源遇到问题,请及时私信上传者)
版权申诉
0 下载量 94 浏览量
2023-02-23
19:59:44
上传
评论 1
收藏 1.99MB DOCX 举报
温馨提示
试读
15页
基于反馈线性化的AUV三维轨迹跟踪滑模控制.docx
资源推荐
资源详情
资源评论
自主式水下航行器(autonomous underwater vehicle, AUV)凭借自身的安全性以及经济性
成为海洋勘测、港口侦察等任务的重要工具,AUV 的航迹准确跟踪控制能力是执行这些任务的
技术基础。
AUV 三维轨迹跟踪控制一直是研究的热点,传统的非线性控制方法有反步控制
[1-3]
、滑模
控制
[4]
、自适应控制
[5]
等。文献[6]提出了双环无抖积分滑模控制方法,大大简化了滑模控制器的
设计方法,但由于引入了积分的环节,很容易造成误差积分饱和的问题。文献[7]针对直接跟踪
期望位置姿态超调过大的问题,提出了双闭环终端滑模控制方法,外环经位姿反馈量获得虚拟
控制量实现对位姿误差的镇定,内环跟踪虚拟控制率实现对速度误差的镇定。文献[8]针对参数
摄动和海流干扰下 AUV 平面目标跟踪的问题,提出了模糊自适应轨迹跟踪控制器,仿真实验
中可以看出模糊自适应算法仍会给控制系统带来误差。文献[9]采用状态反馈线性化方法对 AUV
数学模型进行线性化,降低其非线性程度。文献[10]潜航器以非线性耦合模型作为控制对象,
构建基于精确反馈线性化的潜航器编队协调控制系统,由于采用协调控制器相对简单,整个控
制系统的收敛速度较慢。文献[11]采用了边界层自适应终端滑模的控制方法来抑制滑模控制带
来的系统抖振的问题。文献[12]针对在有界未知扰动下的欠驱动 AUV 水平面轨迹跟踪控制问
题,设计了基于积分滑模的轨迹跟踪控制器,极大提高了控制器在有界干扰下的鲁棒性,但文
中对未知干扰的抑制并未提出有效的解决方法。
综上分析可知 AUV 在复杂海洋环境下的精准三维轨迹控制仍存在诸多挑战,本文对全驱
动 AUV 模型进行反馈线性化,考虑在定常海流以及未知环境的干扰下,对线性化后的模型设
计自适应可变参滑模的控制器,并引入比例积分观测器,实现 AUV 在未知复杂环境中的精准
无抖振三维轨迹跟踪控制。
1. AUV 模型
图 1 中 O-NED 为北东坐标系即固定坐标系,B-xyz 为船体坐标系即惯性坐标系。AUV 的
执行机构配置为:主推进器在 AUV 的艉部布置,实现 AUV 纵向速度控制;辅助推进器在 AUV
的两侧和顶部对称布置,实现 AUV 横向速度和垂向速度控制;垂直舵实现 AUV 艏向角控制;
水平舵实现 AUV 纵倾角控制。AUV 的空间运动具有全驱动的特性,空间运动坐标系如图 1 所
示,并在船体坐标系下建立的数学模型可表示为:
⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪oldsymbolη˙=oldsymbolJ(oldsymbolη)oldsymbolμoldsymbolMoldsymbolμ˙=\boldsymbolg′oldsymbolτ−\boldsymbolC(\boldsymbolμ)oldsymbolμ−\boldsymbolD(oldsymbolμ)oldsymbolμ−g(\boldsymbolη){oldsymbolη˙=oldsymbolJ(oldsymbolη)oldsymbolμoldsymbolMoldsymbolμ˙=ol
dsymbolg′oldsymbolτ−oldsymbolC(oldsymbolμ)oldsymbolμ−\boldsymbolD(\boldsymbolμ)oldsymbolμ−g(oldsymbolη)
(1)
图 1 AUV 坐标系
Fig. 1 Reference frames of AUV
下载: 全尺寸图片
式中:η=[x y z θ ψ]
T
∈R
5
表示 AUV 在大地坐标系下的位姿向量;μ=[u v w q r]
T
∈R
5
表示 AUV 在船体坐标系下的速度向量;M 是惯性矩阵,包括附加质量;J(η)是变换矩阵;C(μ)
是向心力和科氏力矩阵,包括附加质量产生的向心力和科氏力;D(μ)是水动力阻力和升力力
矩;g(η)是恢复力和力矩向量;τ=[τ
u
τ
v
τ
w
τ
q
τ
r
]
T
∈R
5
是在船体坐标系下的控制器输入向量。
g′∈R
5×5
是执行机构的参数矩阵。忽略高阶非线性水动力阻尼项和横摇运动对该 AUV 三维空间
运动的影响,AUV 的运动学和动力学数学模型以及模型参数见文献[10]。
2. AUV 控制器设计
2.1 AUV 模型的反馈线性化
反馈线性化的主要思路是利用反馈的方法将非线性系统精确线性化或部分精确线性化,反
馈线性化适应于大部分的非线性控制系统,若非线性系统的相对阶之和等于系统的阶数,就可
以将非线性系统进行精确线性化。
令:
\boldsymbolN(\boldsymbolη,\boldsymbolμ)=−\boldsymbolC(\boldsymbolμ)\boldsymbolμ−\boldsymbolD(\boldsymbolμ)\boldsymbolμ−g(\boldsymbolη)\boldsymbolN(\boldsymbolη,\boldsymbolμ)=−\boldsymbolC(\boldsymbolμ)\boldsymbolμ−\boldsymbolD(\boldsymbolμ)\boldsymbolμ−g(\boldsymbolη)
(2)
则式(1)为:
{\boldsymbolη˙=\boldsymbolJ(\boldsymbolη)\boldsymbolμ\boldsymbolμ˙=\boldsymbolM−1\boldsymbolg′\boldsymbolτ+\boldsymbolM−1\boldsymbolN(\boldsymbolη,\boldsymbolμ){\boldsymbolη˙=\boldsymbolJ(\boldsymbolη)\boldsymbolμ\boldsymbolμ˙=\boldsymbolM−1\boldsymbolg′\boldsymbolτ+\boldsymbolM−1\boldsymbolN(\bo
ldsymbolη,\boldsymbolμ)
(3)
为了便于模型的反馈线性化,将式(3)写成为:
\boldsymbolξ˙=\boldsymbolf(\boldsymbolξ)+\boldsymbolM1\boldsymbolg′\boldsymbolτ\boldsymbolξ˙=\boldsymbolf(\boldsymbolξ)+\boldsymbolM1\boldsymbolg′\boldsymbolτ
(4)
式中:
\boldsymbolξ=[xyzθψuvwqr]T,\boldsymbolξ=[xyzθψuvwqr]T,
f(ξ)=[I00M−1][J(η)μN(η,μ)],M1=[0M−1]f(ξ)=[I00M−1][J(η)μN(η,μ)],M1=[0M−1]
取非线性系统的输出量为位姿向量,AUV 非线性模型为:
{ξ˙=f(ξ)+g(ξ)τς=h(ξ){ξ˙=f(ξ)+g(ξ)τς=h(ξ)
(5)
且 h(ξ)=[x y z θ ψ]
T
,g(ξ)= M
1
g′。根据文献[13] Lie 导数相关内容可知:
ς˙=∂h∂ξ(f(ξ)+g(ξ))ς˙=∂h∂ξ(f(ξ)+g(ξ))
(6)
由此可得一阶 Lie 导数 L
f
h(ξ)、L
g
h(ξ)为:
{Lfh(ξ)=J(η)v≠0Lgh(ξ)=0{Lfh(ξ)=J(η)v≠0Lgh(ξ)=0
(7)
且 ς˙ς˙= L
f
h(ξ)。
同理根据二阶 Lie 导数的定义,可知:
ς¨=∂Lfh(ξ)∂ξ(f(ξ)+g(ξ)τ)ς¨=∂Lfh(ξ)∂ξ(f(ξ)+g(ξ)τ)
(8)
可得二阶 Lie 导数 L
f
2
h(ξ)、L
g
L
f
h(ξ)为:
⎧⎩⎨⎪⎪L2fh(ξ)=∂Lfh(ξ)∂ξf(ξ)≠0LgLfh(ξ)=∂Lfh(ξ)∂ξg(ξ)≠0{Lf2h(ξ)=∂Lfh(ξ)∂ξf(ξ)≠0LgLfh(ξ)=∂Lfh(ξ)∂ξg(ξ)≠0
(9)
引理 1
[13]
n 阶仿射非线性系统精确线性化有解的充分必要条件是,当且仅当存在一个标
量函数 h(x),使得如下系统:
{x˙=f(x)+g(x)uy=h(x){x˙=f(x)+g(x)uy=h(x)
(10)
在 x
0
∈U 点的相对阶为 n。
根据相对阶的定义可知,该模型的相对阶之和为:ρ
1
+ρ
2
+ρ
3
+ρ
4
+ρ
5
=10,其中
ρ
1
=ρ
2
=ρ
3
=ρ
4
=ρ
5
=2,即相对阶的和等于系统的阶数 10,由引理 1 得知,该模型可以进行精确反
馈线性化,并且有解。选择坐标变化如下:
⎧⎩⎨⎪⎪z1(ξ)=z2(ξ)=(h1(ξ),h2(ξ),h3(ξ),h4(ξ),h5(ξ))T(Lfh1(ξ),Lfh2(ξ),Lfh3(ξ),Lfh4(ξ),Lfh5(ξ))T{z1(ξ)=(h1(ξ),h2(ξ),h3(ξ),h4(ξ),h5(ξ))Tz2(ξ)=(Lfh1(ξ),Lfh2(ξ),Lfh3(ξ),Lfh4(ξ),Lfh5(ξ))T
(11)
将式(7)代入得:
{z˙1=z2z˙2=L2fh(ξ)+LgLfh(ξ)τ{z˙1=z2z˙2=Lf2h(ξ)+LgLfh(ξ)τ
(12)
令 U=L
f
2
h (ξ)+L
g
L
f
h (ξ)τ,那么在新坐标下实际控制输入 τ=(L
g
L
f
h(ξ))
-1
(U-L
f
2
h(ξ))。
可得到 AUV 线性化数学模型为:
{z˙1=z2z˙2=U{z˙1=z2z˙2=U
(13)
2.2 AUV 轨迹跟踪控制器设计
基于反馈线性化的自适应可变参滑模控制器的设计框图如图 2 所示,从图中可以看出比
例积分观测器负责对未知的环境干扰进行观测,滑模控制器通过对 z
1e
、z
2e
建立误差滑模面,
剩余14页未读,继续阅读
资源评论
罗伯特之技术屋
- 粉丝: 3654
- 资源: 1万+
下载权益
C知道特权
VIP文章
课程特权
开通VIP
上传资源 快速赚钱
- 我的内容管理 展开
- 我的资源 快来上传第一个资源
- 我的收益 登录查看自己的收益
- 我的积分 登录查看自己的积分
- 我的C币 登录后查看C币余额
- 我的收藏
- 我的下载
- 下载帮助
最新资源
- keil2 + proteus + 8051.exe
- 1961ee27df03bd4595d28e24b00dde4e_744c805f7e4fb4d40fa3f695bfbab035_8(1).c
- mediapipe-0.9.0.1-cp37-cp37m-win-amd64.whl.zip
- windows注册表编辑工具
- mediapipe-0.9.0.1-cp37-cp37m-win-amd64.whl.zip
- 校园通行码预约管理系统20240522075502
- 车类型数据集6250张VOC+YOLO格式.zip
- The PyTorch implementation of STGCN.STGCN-main.zip
- 092300108.cpp
- 车类型数据集6000张VOC+YOLO格式.zip
资源上传下载、课程学习等过程中有任何疑问或建议,欢迎提出宝贵意见哦~我们会及时处理!
点击此处反馈
安全验证
文档复制为VIP权益,开通VIP直接复制
信息提交成功