欠驱动自主水下航行器移动式回收控制及视景仿真

饱和输入限制下欠驱动自主水下航行器水平面航迹跟踪控制江梦洁;李家旺;吕艳芳;周家炜;黄汉涛【摘要】A saturation controller is designed for the path tracking control of underactuated autonomous underwater vehicles (AUVs) on the horizontal plane within input saturation limitation.A first-order observer is designed to estimate the tracking errors to avoid complicating the controller expressions due to the direct derivation of tracking errors.An improved error dynamic model is derived.A saturated dynamic control strategy for the actual inputs is proposed by utilizing smooth bounded functions as the estimations of the saturated inputs and introducing a Nussbaum-type even function.The stability analysis via the Lyapunov's theory shows that the proposed controller can achieve the tracking of arbitrary smooth paths of AUVs on horizontal plane within input saturation limit,and the tracking errors are globally ultimately uniformly bounded.Some simulated results are presented to illustrate the effectiveness and robustness of the proposed controller.%针对控制输入存在饱和限制的欠驱动自主水下航行器水平面航迹跟踪问题,提出了一种饱和控制方法.在航迹跟踪误差方程基础上,设计了一种误差信号观测器对原有跟踪误差进行近似,以避免由于跟踪误差直接求导所引起的控制器表达式的复杂化现象;推导得到一种新的误差动力学方程,通过引入一种光滑有界函数作为输入饱和条件的近似,以及一种Nussbaum型偶函数,设计了饱和动力学控制器;根据Lyapunov理论证明了该控制器能够使得自主水下航行器在控制输入饱和限制下,可以实现对任意光滑水平面航迹的跟踪控制,并保证跟踪误差是全局最终一致有界的.仿真实验结果验证了该设计方法是有效的,且对于模型参数误差具有一定的鲁棒性.【期刊名称】《兵工学报》【年(卷),期】2017(038)011【总页数】7页(P2207-2213)【关键词】控制科学与技术;欠驱动自主水下航行器;输入饱和;跟踪控制;误差观测器;Nussbaum型函数【作者】江梦洁;李家旺;吕艳芳;周家炜;黄汉涛【作者单位】宁波大学海运学院,浙江宁波315211;宁波大学海运学院,浙江宁波315211;宁波大学海运学院,浙江宁波315211;宁波大学海运学院,浙江宁波315211;宁波大学海运学院,浙江宁波315211【正文语种】中文【中图分类】TP273+.2自主水下航行器(AUV)已经成为重要的军用和民用海洋装备之一。

欠驱动水下无人航行器航迹跟踪滑模控制系统设计张艺;余红英;刘琛【摘要】针对欠驱动水下无人航行器(Unmanned Underwater Vehicle,UUV)与外界复杂水文环境交互面临的特殊航迹跟踪的问题,研究了UUV航迹跟踪控制算法.基于UUV水平面动力学模型,设计了一种新型双闭环自适应航迹跟踪滑模控制系统,该系统能有效抑制外界干扰和不确定性的影响.首先,外环控制器中产生角度指令并传递给内环系统,外环产生的误差通过内环控制消除,同时设计内环控制律,在不需要惯性矩阵模型确切信息的情况下,通过姿态控制实现对外环产生的角度指令的跟踪.通过仿真及实际测试,均表明该控制方法能够实现对UUV精确的航迹跟踪.【期刊名称】《实验室研究与探索》【年(卷),期】2018(037)008【总页数】5页(P75-79)【关键词】位置控制器;姿态控制器;水下无人航行器;滑模控制【作者】张艺;余红英;刘琛【作者单位】中北大学电气与控制工程学院,太原030051;中北大学电气与控制工程学院,太原030051;中北大学电气与控制工程学院,太原030051【正文语种】中文【中图分类】TP2490 引言随着科学技术的发展，欠驱动UUV广泛应用于汇集海战场情报和海底区域作业中，其具备搜集海上水文、气象信息和辅助通信的使命。

轨迹跟踪在UUV作业中也扮演着无可取代的作用。

由于UUV具有的动力学复杂、输入输出非线性化、极易不稳定和欠驱动的特点，使得其在水下作业时极易受到外界复杂水文环境的影响，很难获得欠驱动UUV精准的动力学模型，因此进行欠驱动UUV航迹跟踪控制系统的设计十分必要[1-2]。

目前，关于UUV航迹跟踪控制已经有很多线性和非线性的系统控制策略和参数辨识方案，如自适应控制、智能PID、反演、H∞、模糊逻辑等控制方法，而其中航迹滑模跟踪控制可以高效抑制由于参数改变和外部扰动造成的不确定性影响，使系统实现对UUV三维轨迹的高精度跟踪，该控制器设计也适用于控制UUV非线性系统。

欠驱动自主水下航行器的镇定及跟踪
吴宇;王家鑫
【期刊名称】《舰船电子工程》
【年(卷),期】2012(032)006
【摘要】针对仅带有轴向推力及偏航力矩的欠驱动自主水下航行器（AUV），研
究了其在水平面内的轨迹跟踪及定点调节问题。

基于Lyapunov直接法及串接一
反步技术，通过采用一种带有动力学震荡器的跟踪误差变换，设计了一种统一的连续时变状态反馈控制律，并给出了参数自适应更新律以估计AUV的非线性阻力参数，使得AUV的位置及方向角的跟踪误差全局渐近收敛于零点左右的一个邻域内，该区域可以为任意小，并且，AUV的跟踪性能与外界干扰的大小无关。

仿真结果
证明所提出的方法是有效的。

【总页数】5页(P125-129)
【作者】吴宇;王家鑫
【作者单位】海军驻上海地区航天系统军事代表室,上海200233;海军驻上海地区
航天系统军事代表室,上海200233
【正文语种】中文
【中图分类】TP24
【相关文献】
1.欠驱动自主水下航行器轨迹跟踪控制 [J], 高剑;徐德民;严卫生;刘明雍;张福斌
2.欠驱动自主水下航行器空间曲线路径跟踪控制研究 [J], 苗建明;王少萍;范磊;李
元
3.饱和输入限制下欠驱动自主水下航行器水平面航迹跟踪控制 [J], 江梦洁;李家旺;吕艳芳;周家炜;黄汉涛
4.基于模型参数不确定的欠驱动非对称自主水下航行器全局镇定控制研究 [J], 邸青;周竞烨;方凯;姚佳琪;李家旺
5.基于神经网络的欠驱动水下机器人三维同步跟踪和镇定控制 [J], 方凯;姚佳琪;李家旺
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专利名称：自主式水下航行器的回收方法及自主式水下航行器专利类型：发明专利
发明人：张爱东,王超,梅涛,李胜全,孔文超,苏杭,邓豪,杨仁友申请号：CN202011544054.6
申请日：20201223
公开号：CN112591053A
公开日：
20210402
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开一种自主式水下航行器的回收方法及自主式水下航行器，其中，所述自主式水下航行器的方法包括以下步骤：在检测到开启指令后，控制所述舱门打开；控制所述无人机起飞；控制所述线缆降落在所述水面回收艇的目标位置。

本发明的技术方案利用无人机在空中进行定位和识别，提高了自主式水下航行器的回收成功率和效率。

申请人：鹏城实验室
地址：518000 广东省深圳市南山区兴科一街2号
国籍：CN
代理机构：深圳市世纪恒程知识产权代理事务所
代理人：胡庆
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欠驱动自主水下航行器空间曲线路径跟踪控制研究苗建明;王少萍;范磊;李元【摘要】针对具有模型不确定性和输入饱和的欠驱动自主水下航行器(AUV),提出一种基于改进反步法的简单实用三维空间曲线路径跟踪鲁棒控制器.在Serret-Frenet坐标系下建立了空间曲线路径跟踪误差模型,结合视线角制导和虚拟向导法,设计了基于李雅普诺夫理论和改进反步法的运动学和动力学控制器.不同于传统的积分器反步法,该方法在控制器设计中采用跟踪误差的积分来增加控制器的鲁棒性,不会增加系统的状态变量和计算量;针对设计的运动学控制器存在非因果现象的问题,借助动力学模型求解出运动学控制器表达式;针对传统反步法存在的“微分爆炸”现象及动力学控制器过于复杂的问题,采用非线性跟踪微分器对控制器进行简化.仿真结果表明:采用所设计的基于改进反步法的控制器能够实现欠驱动AUV在模型参数不确定性和输入饱和作用下的三维空间曲线路径跟踪控制,控制精度和鲁棒性明显优于常规反步法.%Based on the modified back-stepping technique,a simple and robust spatial curvilinear path following controller for the underactuated autonomous underwater vehicles (AUVs) with model uncertainties and input saturation is presented.A path following error dynamics model is constructed in a moving Serret-Frenet frame,and the kinematic controller and dynamic controller are developed based on line-ofsight (LOS) guidance algorithm and virtual moving targetmethod.Differing from the traditional integrator backstepping technique,the proposed method is to introduce the integral tracking errors into the controller design to improve the robustness against the uncertainties.The dynamic model is used to solve the non-causal formcaused by the coupled underactuated degrees.The nonlinear tracking differentiators (NTDs) are employed to construct the numerical solution of differential virtual control commands to tackle the problem of "explosion of terms" in the traditional back-stepping process,and the dynamic controller expressions are simplified.Simulations demonstrate that the designed controller realizes the spatial curvilinear path following control of underactuated AUV with model parameter uncertainties and input saturation,and its accuracy and robustness are more excellent than those of the traditional back-stepping control.【期刊名称】《兵工学报》【年(卷),期】2017(038)009【总页数】11页(P1786-1796)【关键词】控制科学与技术;欠驱动AUV;空间曲线路径跟踪;反步;李雅普诺夫理论【作者】苗建明;王少萍;范磊;李元【作者单位】北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院,北京100083;中国船舶重工集团公司第710研究所,湖北宜昌443003;北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院,北京100083;北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院,北京100083;61267部队第41分队,北京101114;北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院,北京100083【正文语种】中文【中图分类】TP242.3Abstract: Based on the modified back-stepping technique, a simple and robust spatial curvilinear path following controller for the underactuated autonomous underwater vehicles (AUVs) with model uncertainties and input saturation is presented. A path following error dynamics model is constructed in a moving Serret-Frenet frame, and the kinematic controller and dynamic controller are developed based on line-of-sight (LOS) guidance algorithm and virtual moving target method. Differing from the traditional integrator backstepping technique, the proposed method is to introduce the integral tracking errors into the controller design to improve the robustness against the uncertainties. The dynamic model is used to solve the non-causal form caused by the coupled underactuated degrees. The nonlinear tracking differentiators (NTDs) are employed to construct the numerical solution of differential virtual control commands to tackle the problem of “explosion of terms” in the traditional back-stepping process, and the dynamic controller expressions are simplified. Simulations demonstrate that the designed controller realizes the spatial curvilinear path following control of underactuated AUV with model parameter uncertainties and input saturation, and its accuracy and robustness are more excellent than those of the traditional back-stepping control.Key words: control science and technology; underactuated AUV; spatial curvilinear path following; back-stepping; Lyapunov’s theory随着自主式水下航行器(AUV)在海洋研究和开发领域的应用越来越广泛，路径跟踪控制已经成为AUV运动控制的重要技术之一[1-3]。

新型自主水下航行器的运动控制研究与应用自主水下航行器是一种现代化的水下机器人设备，它能够在水下环境中完成各种复杂的任务，如海底勘测、工业生产、水下探险等。

为了确保水下航行器的运动稳定和精准性，在其设计与研发的过程中，运动控制技术显得尤为重要。

在基于传统水下航行器的运动控制模型的基础上，新型自主水下航行器运动控制研究的关键点是如何通过引入新的自主控制策略来提高航行器的运动控制精度。

近年来，随着ROS（机器人操作系统）等技术的发展，新型水下航行器的运动控制研究与应用在实现水下机器人自主感知、路径规划、运动控制等方面取得了重要进展。

以深度学习为例，研究者可以通过基于深度学习的水下目标检测和跟踪技术，将自主控制方案与实际控制系统结合起来，实现水下航行器的自主感知和定位。

同时，通过引入多个传感器，包括加速度计、陀螺仪、压力传感器等，研究者可以为航行器提供实时精准的反馈信息，以指导其运动控制。

此外，在新型水下航行器的运动控制应用中，还有一些需要特别注意的问题。

例如，水下环境中的浪涌、海流、摩擦等因素将对航行器的运动状态产生较大的干扰，因此需要针对这些因素进行适当的校正和调整。

与此同时，水下航行器还需要对各种复杂的控制算法进行验证和测试，以确保其稳定性和可靠性。

为此，研究者需要依靠模拟软件、仿真实验系统和实际测试环境等多种手段，开展水下航行器运动控制研究和实验应用。

综上所述，新型自主水下航行器的运动控制研究和应用具有重要意义。

通过引进新的自主控制策略和芯片技术，可以提高水下航行器的运动控制精度和稳定性，进而促进水下机器人的技术开发和应用推广。

随着技术的不断发展和进步，相信新型自主水下航行器的运动控制技术必将在未来的水下机器人行业中发挥越来越重要的作用。

在当今数字化时代，数据是最有价值的资产之一。

针对不同领域的研究和应用，相关数据也各自独具特色，值得我们进行分析和探讨。

一、数据来源1. 社交媒体数据：随着社交媒体的发展，越来越多的人们在其上交流、分享、发布内容。

水下自主航行器（AUV）建模仿真研究【摘要】本文对鱼雷形状的水下自主航行器的六自由度非线性动态模型的研制作了较为详细的介绍。

该动态模型充分考虑了各方面的因素，其中包括静水力学，超重，流体力学，操舵、推进力和力矩等。

此外模型还考虑了航行器动力学和环境的影响。

【关键词】水下自主航行器；建模；仿真研究1.引言水下自主航行体是一种重要的用于水下勘探的机器人，同时也是用于检测的精密仪器。

其应用领域涵盖：科学研究（海洋学、地理学、地球物理学等），环境保护（废弃垃圾处理监控，沼泽湿地监测等），商业（石油与天然气勘查，海底管道铺设，港口监控等）和军事（水雷战，战场情报收集，智能武器等）。

随着其水下应用的不断增多，AUV的开发需求越来越强烈。

但是水下航行体的动力学是一个高度非线性的且各自由度之间是相互耦合的。

本文介绍了水下自动航行体的动力学数学模型。

AUV的仿真和运动方程的解算是系统设计与控制的基础，因此首先需要分析航行体在水下航行时受到的所有外力和力矩。

其次要对各种力和力矩（惯性力，静水力，流体力，超重，推进力以及环境的影响等）的作用效果加以推导计算，最后求出各方程在特定条件下的数值解。

由于动态仿真能在不扩展现有模型的前提下对给定系统的性能离线做出较为准确的评估，因此动态仿真已经成为AUV开发的强大工具。

本软件用MATLAB SIMULINK和C++语言编写而成，并且利用三维图形界面显示实时数据。

2.AUV模型水下航行体一般可认为是具有六自由度的刚体，其平动和转动方程可以依据牛顿定律建立。

其六种不同的运动形式分别定义为：前后，左右，上下，横滚，俯仰，偏航。

要对航行体的物理行为进行分析，首先必须建立合适的坐标系。

为此必须理解世界坐标系和艇体坐标系这两种坐标体系及相互转换关系。

文中的动力学运动方程均建立在艇体坐标系下，如图1所示。

3.AUV运动方程描述AUV运动特征的方程]如下：作用在水下航行体的所有外力和力矩主要划分为以下6类：（1）静水力和力矩；（2）超重惯性力和力矩；（3）流体动力和力矩；（4）操舵力和力矩；（5）推进力和力矩；（6）环境作用力。

自主式水下航行器的模块化建模与控制的开题报告一、研究背景自主式水下航行器可以应用于深海探测、海底地质勘探、水下救援等多个领域，已经成为当前水下技术领域的研究热点。

水下航行器的设计、建模及控制算法是水下技术的重要组成部分，多年来一直受到学术界和工业界的广泛关注。

航行器的设计和建模需要用到多个专业领域的知识，包括机械设计、材料力学、流体力学、控制工程等。

同时，航行器的自主导航控制也需要涉及到机器人学、计算机视觉、自适应控制等领域，因此，航行器的研究具有跨学科的特点。

二、研究目的和意义本课题旨在研究水下航行器的模块化建模与控制方法，以实现航行器在各种海底环境下的自主导航和定位功能，具体研究目标如下：1.设计模块化的水下航行器，能够在不同场景中实现自主导航和定位功能；2.针对水下环境中的各种力和物理特性，建立航行器的多孔介质力学模型和流体力学模型；3.运用先进的控制算法，包括自适应控制、视觉定位等，实现航行器在复杂水下环境中的自主控制。

通过本研究，能够提高自主式水下航行器的控制精度和稳定性，为深海勘探、海底科学研究、水下救援等领域的应用提供良好的技术支持。

三、研究内容和技术路线1.理论研究了解目前水下航行器的设计原理、结构和控制方法，阅读相关文献，掌握有关技术和理论知识，并结合实际问题提出适合的研究思路和方法。

2.航行器设计和建模设计一种新型水下航行器，结合多孔介质力学和流体力学的理论知识，建立航行器的力学模型和控制模型，确保航行器能够完成自主导航和定位任务。

3.控制算法应用先进的控制算法，对航行器进行控制设计，包括自适应控制、视觉定位等技术，提高航行器的稳定性、精度等参数。

4.算法仿真针对水下环境进行仿真，验证控制算法的有效性和可行性，对航行器的控制优化进行研究。

5.实验测试在实际环境中进行实验测试，对航行器的控制性能进行评估，验证研究成果和方法的实用性。

四、研究进度和可行性分析目前国内外在自主式水下航行器的设计和控制算法方面已有一定的研究积累。

欠驱动自主水下航行器的镇定及跟踪I. 引言- 研究背景和意义- 国内外研究现状- 论文主要贡献和研究内容II. 欠驱动自主水下航行器概述- 自主水下航行器的种类和特点- 欠驱动自主水下航行器的结构和运动方式- 欠驱动自主水下航行器的建模和控制方法III. 航行器镇定设计- 镇定问题的定义和建模- 镇定控制器的设计与实现- 模拟实验与结果分析IV. 航行器跟踪控制- 跟踪问题的定义和建模- 跟踪控制器的设计与实现- 模拟实验与结果分析V. 总结与展望- 研究工作总结- 存在的问题及改进措施- 未来研究方向和展望VI. 参考文献注意：以上提纲仅供参考，具体可以根据论文要求进行调整和修改。

I. 引言自主水下航行器已经成为海洋科学与技术领域中广泛关注的研究课题之一。

这种航行器可以在海洋中独立运行，不需要人力进行遥控操作。

采用自主水下航行器进行海洋调查和勘测具有操作灵活、时间成本低廉、数据可靠等众多优势，因此被广泛应用于潜水、探油、海洋环境监测等领域。

欠驱动自主水下航行器是一种结构简单、控制难度较大的航行器。

它主要依靠姿态的调节来改变自身的运动方向，在海洋环境中具有卓越的机动能力。

因此，提高欠驱动自主水下航行器的控制性能具有十分重要的现实意义。

其中，镇定及跟踪技术是提高自主水下航行器控制性能的关键。

本文首先概述了欠驱动自主水下航行器的特点和控制方法，然后分别从镇定和跟踪两个角度进行探讨。

为了稳定航行器的姿态，镇定控制器需要对水下航行器的姿态进行监测，并对其进行稳定的调整。

而对于跟踪控制器，需要实时跟踪目标船只或物体进行控制，以实现预定路径的运动目标。

在本文中，我们将分别讨论这两个控制问题，提出相应的解决方法，并针对这两个问题进行数值模拟实验，验证所提出的控制方法的可行性和有效性。

最后，本文总结了研究成果并展望了未来的研究方向。

II. 欠驱动自主水下航行器概述欠驱动自主水下航行器是一种具有结构简单、控制难度较大的特性的航行器。

基于主从同步的欠驱动AUV与移动平台水下对接控制
刘俊杰;陈虹;王磊
【期刊名称】《舰船科学技术》
【年(卷),期】2015(037)011
【摘要】许多应用场合要求水下自主航行器(AUV)与水下移动平台对接来实现能源补充和信息交换功能.针对欠驱动AUV与移动平台的水下对接问题,采用主从式同步跟踪策略,提出AUV接收目标的状态信息并控制自身位置与目标保持一致的控制方法,从而将AUV水下对接的问题转化为AUV与移动目标保持同步运动的问题.在给出移动目标和AUV的水平面线性化动力学模型基础上,设计了在常值海流影响下,欠驱动AUV同步跟踪由卡尔曼算法估计的目标运动轨迹的滑模控制器.使用Lyapunov稳定性理论证明了离散滑模控制器的稳定性,并使用仿真实验验证该控制方案的有效性.
【总页数】5页(P95-99)
【作者】刘俊杰;陈虹;王磊
【作者单位】武汉第二船舶设计研究所,湖北武汉430205;武汉第二船舶设计研究所,湖北武汉430205;武汉第二船舶设计研究所,湖北武汉430205
【正文语种】中文
【中图分类】TP24
【相关文献】
1.AUV水下对接控制方法 [J], 羊云石;顾海东;程烨
2.基于自适应方法的欠驱动AUV地形跟踪控制 [J], 白继嵩;庞永杰;万磊;张英浩;张强
3.基于干扰观测器的欠驱动AUV自适应反演控制 [J], 陈巍;魏延辉;曾建辉;胡佳兴;王泽鹏
4.AUV水下对接系统设计与接驳控制方案研究 [J], 辛传龙;郑荣;杨博
5.AUV水下对接装置控制系统设计 [J], 李默竹;郑荣;魏奥博;梁洪光;国婧倩;吕厚权因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

子母型自治水下航行器回收控制视景仿真
吴泽伟;吴晓锋
【期刊名称】《火力与指挥控制》
【年(卷),期】2014(000)005
【摘要】基于Visual C++，Vega Prime，Multigen Creator和Matlab对子母型自治水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）回收控制视景仿真系统进行了开发研究。

通过建立子/母AUV的动力学方程，给出了一种基于主-从运动状态同步思想的母AUV自主回收子AUV的控制方案。

依据该方案，利用Multigen Creator创建了子/母AUV的实体模型，并由Vega Prime导入模型进行场景配置，以Matlab作为后台对子/母AUV的动力学方程进行实时计算，然后，采用Visual C++平台进行综合集成，得到子母型AUV回收控制视景仿真系统，并通过实例演示进行了验证。

【总页数】5页(P18-21,26)
【作者】吴泽伟;吴晓锋
【作者单位】海军工程大学电子工程学院，武汉 430033;海军工程大学电子工程学院，武汉 430033; 海军陆战学院，广州 510430
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.9
【相关文献】
1.基于全弹道控制分析的水下航行器攻击模型视景仿真* [J], 葛立志
2.基于Vega Prime的水下航行器视景仿真 [J], 莫剑飞
3.基于有限时间系统同步的自治水下航行器回收控制 [J], 吴泽伟;吴晓锋
4.智能水下航行器动态对接三维视景仿真研究 [J], 孙叶义;杨文山;周海波
5.智能水下航行器动态对接三维视景仿真研究 [J], 孙叶义;杨文山;周海波
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欠驱动水下航行器编队协同控制肖瑞武;孙洪飞【期刊名称】《集美大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(000)006【摘要】With regard to above⁃water formation issues for under⁃actuated unmanned underwater vehicles ( UUVs) in complex sea conditions, a formation movement⁃control strategy is presented by means ofpath⁃tracking control and distributed consensus algorithm. The formation task is decomposed into two steps. First⁃ly, a path⁃tracking controller for each single UUV is designed to track their desired paths. Secondly, for multiple UUVs, a distributed consensus algorithm is proposed to implement their coordinated movements. The aggregate influence of parametric uncertainty and current disturbance are taken into account when designing the formation controller. A disturbance observer is designed for the ocean current disturbance, while the a⁃daptive control technique is used to estimate the parameter uncertainty online. Finally, the validity of the for⁃mation control strategy is tested through simulation.%针对复杂海况中欠驱动无人水下航行器（ UUV）的水平面上编队问题，结合路径跟踪控制和一致性算法构建编队运动控制策略。