欠驱动USV航迹跟踪控制技术综述

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。

欠驱动水面船舶的有限时间航迹跟踪控制
王昱棋;李铁山
【期刊名称】《哈尔滨工程大学学报》
【年(卷),期】2017(038)005
【摘要】针对欠驱动水面船舶的快速航迹跟踪控制问题,本文设计了一种基于终端滑模控制方法的分散控制器.通过引入辅助线性滑模面进行切换控制,避免了传统终端滑模面中状态可能为零而导致控制无穷大的奇异问题,且使欠驱动水面船舶能够在有限时间内快速跟踪并保持期望的轨迹.本文结合有限时间稳定性理论证明了终端滑模控制方法具有限时间收敛作用这一特性;借助Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统的稳定性.仿真结果表明:该算法控制效果良好,且对外界环境干扰具有一定的鲁棒性能.
【总页数】6页(P684-689)
【作者】王昱棋;李铁山
【作者单位】大连海事大学航海学院,辽宁大连116026;大连海事大学航海学院,辽宁大连116026
【正文语种】中文
【中图分类】TP273.2
【相关文献】
1.高性能欠驱动水面机器人的有限时间跟踪控制 [J], 刘海涛;田雪虹;王贵
2.欠驱动水面船舶非线性信息融合航迹跟踪控制 [J], 胡洲;王志胜;甄子洋
3.欠驱动水面船舶的曲线航迹跟踪控制 [J], 曾薄文;朱齐丹;于瑞亭
4.基于有限时间控制的欠驱动水面船舶直线航迹跟踪 [J], 张军;李国胜;张天宏;刘志林
5.有横摇约束的欠驱动船舶航迹跟踪预测控制 [J], LIU Zhilin;LI Guosheng;ZHANG Jun
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欠驱动无人艇固定时间轨迹跟踪控制
王巍凯;苏航;张恩华
【期刊名称】《中国舰船研究》
【年(卷),期】2024(19)S01
【摘要】[目的]针对欠驱动无人艇系统内部存在模型参数不确定以及外部受到未知干扰等问题,提出一种具有抗干扰能力的固定时间轨迹跟踪控制策略。

[方法]首先,通过模型转换将跟踪误差系统分为2个子系统,分别开展控制器设计;然后,为解决系统内外的未知干扰问题,基于径向基神经网络和最小参数学习法对不确定项进行估计,从而保证系统具有抗干扰能力;最后,将双曲正切函数与滑模控制相结合,提出一种基于固定时间的跟踪控制方法,以保证无人艇可在固定时间内快速跟踪期望轨迹。

[结果]仿真结果表明,跟踪误差可在固定时间内实现收敛并保持稳定,且其收敛时间与初始状态无关。

[结论]该控制策略可对系统中的不确定项进行有效估计,具有良好的抗干扰能力,可为欠驱动无人艇的固定时间控制提供参考。

【总页数】8页(P10-17)
【作者】王巍凯;苏航;张恩华
【作者单位】哈尔滨工程大学水下机器人技术重点实验室;深圳大学电子与信息工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】U664.82
【相关文献】
1.欠驱动水面无人艇轨迹跟踪的反步滑模控制
2.非完全对称欠驱动无人艇的自适应滑模轨迹跟踪控制
3.非完全对称欠驱动无人艇的自适应滑模轨迹跟踪控制
4.固定时间预测器下的欠驱动无人艇路径跟踪控制
5.基于自适应滑模的欠驱动无人艇轨迹跟踪控制算法
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基于改进自适应积分视线制导方法的欠驱动无人水面艇路径跟踪控制作者：白一鸣刘磊韩新洁来源：《上海海事大学学报》2021年第04期摘要：为提高无人水面艇（unmanned surface vehicle， USV）对复杂海况的适应性，针对欠驱动USV的路径跟踪控制问题，设计基于改进的自适应积分视线（improved adaptive integral line-of-sight， IAILOS）制导方法和径向基神经网络（radial basis function neural network， RBFNN）的积分滑模路径跟踪控制器。

在IAILOS制导方法中，引入降阶的扩张状态观测器估计未知时变洋流速度，从而使得该制导方法不仅可以估计时变漂角，而且可以补偿未知时变洋流的扰动。

利用RBFNN的无限逼近特性来估计USV动力学模型中的不确定项和未知的外部环境干扰。

通过稳定性分析和仿真对比实验，验证了本文所设计的控制器的准确性和鲁棒性。

关键词：无人水面艇（USV）; 路径跟踪控制; 改进的自适应积分视线（IAILOS）制导方法; 径向基神经网络（RBFNN）; 滑模控制中图分类号： U664.82 文献标志码： AAbstract： To improve the adaptability of unmanned surface vehicles （USVs） to complex sea conditions， aiming at the path following control of underactuated USVs， an integral sliding-mode path following controller is designed based on the improved adaptive integral line-of-sight （IAILOS） guidance law and the radial basis neural network （RBFNN）. The reduced-order extended state observer is introduced to estimate the unknown time-varying ocean current velocity in the IAILOS guidance law， so that the guidance law can not only estimate the time-varying drift angle， but also compensate the disturbances of unknown time-varying ocean currents. The infinite approximation property of RBFNN is used to estimate the uncertain terms in the USV dynamic model and the unknown external environment disturbances. The accuracy and robustness of the controller are verified through the stability analysis and simulation comparison experiments.Key words： unmanned surface vehicle （USV）; path following control; improved adaptive integral line-of-sight （IAILOS） guidance law; radial basis function neural network （RBFNN）; sliding-mode control0 引言無人水面艇（unmanned surface vehicle， USV）的路径跟踪控制目标是控制USV跟踪几何平面内的一条理想的参数化路径，并且没有时间限制[1]。

自动化学院欠驱动USV航迹跟踪控制技术综述学号：专业：学生姓名：联系方式：导师姓名：年月欠驱动USV航迹跟踪控制技术综述1.概述21世纪是一个充满竞争的时代，人类利益争夺已经日趋激烈，其触角已经投向遥远的太空、宇宙以及广阔的海洋。

对于海洋中所蕴藏的巨大潜在的经济及政治利益，使得各国对海洋权利的争夺日趋激烈。

其中无人艇（USV）在海洋竞争中占有举足轻重的地位。

近年来，由于无人艇等海上船舶的发展与应用，欠驱动系统控制研究已成为国际关注的热点。

相对于全驱动系统，欠驱动系统的特性是指系统控制输入向量空间的维数小于系统广义坐标向量空间维数的情况,即系统的控制输入量少于其自由度。

欠驱动系统的特点是可由较少的控制输入确定其在比控制输入维数大的位形空间内的运动。

我们现在所熟知的典型的欠驱动系统包括：大多数水面舰船和水下潜器，非完整移动机器人、仿生机器人，航空航天器(如直升机、航天飞机)，交通运载工具(机车、吊车)及基准系统(倒立摆、球棒系统、柔性机械臂)等。

其中USV的航迹控制需要同时控制船舶的位置和航向，无人艇控制系统只有2个控制输入，需要同时控制无人艇平面运动的3个自由度，独立控制输入少于其自由度,属于典型的欠驱动系统。

随着对海洋资源的幵发需求，一些特殊任务如铺设管道和深海装备动力定位等，简单的航迹跟踪不能满足需要，其要求更高精度的作业。

因此研究欠驱动船舶与海洋工程系统的控制在实际中具有重要价值。

USV航迹跟踪控制是指在控制系统的驱动下,船舶从任意初始位置驶入预先规划好的航线，并沿此航线最终抵达目的地。

该问题的理论研究和实际应用重要性使之引起了广泛的关注。

并成为USV运动控制领域的主流研究方向。

21世纪初期，西方各国都十分重视和发展水面无人艇的研究。

许多发达国家已经把水面无人艇的研究选定为最重要的发展方向。

鉴于无人艇的重要性，我国也进行了自主智能水面无人艇研究，但目前尚处在初步实验探索研究阶段。

2.国外发展现状USV发展概述：水面无人艇是一种能够自主规划、自主航行，并且可以采用自主方式或人工干预的小型水面舰艇。