欠驱动水面机器人的有限时间镇定控制

二阶系统有限时间控制方法综述
姜博严;李佳玲;李传江;姚文卿
【期刊名称】《控制理论与应用》
【年(卷),期】2024(41)5
【摘要】相比于传统且经典的比例–积分–微分(PID)控制,带有指数参数的有限时间控制方法具有更好的控制性能,因而引起广泛的关注和研究.本文首先从方法设计和稳定性分析角度,对现有主流有限时间控制方法进行整理和归纳,将其分为17种有限时间状态反馈控制方法及6种有限时间输出反馈控制方法.其次,以一类具有普遍和基础性的二阶系统为例,统一变量和参数,给出了每种控制方法对应的控制器的显式结构.然后,通过原理分析和比较分析,对每种控制方法的优点及不足之处进行了总结,尤其是给出了终端滑模控制具有“控制奇异与收敛时间矛盾性”的结论,以及指出了一些方法存在较大保守性的问题.最后,通过列表的方式展示了所有有限时间控制方法的优缺点及值得进一步深入研究的课题.
【总页数】29页(P769-797)
【作者】姜博严;李佳玲;李传江;姚文卿
【作者单位】常州工学院电气信息工程学院;河海大学物联网工程学院;哈尔滨工业大学航天学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP3
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不确定非完整轮式移动机器人的运动控制研究非完整轮式移动机器人（wheeled mobile robot,WMR）是典型的多输入多输出耦合欠驱动非线性系统, 其运动控制问题极具挑战性。

轮式移动机器人大多工作在复杂未知环境之下, 容易受到多种不确定性和扰动的综合影响, 因此, 解决复杂不确定下非完整轮式移动机器人的运动控制问题意义深刻且现实需求迫切。

本文研究了轮式机器人包含定位不确定性、参数和非参数不确定性、侧滑和打滑干扰等情形下的运动控制策略, 探讨了非完整单链系统的有限时间控制以及力矩受限下轮式移动机器人的动力学控制。

主要的研究成果包括: （1）研究了定位不确定的轮式移动机器人路径跟随问题, 提出一种基于改进遗传算法优化自适应扩展卡尔曼滤波的全局一致渐进稳定控制器。

（2）提出了一类n维不确定非完整单链系统的鲁棒有限时间镇定控制律。

通过不连续变换将原系统分解为1阶和n-1阶两个解耦的独立子系统, 对1阶子系统采用分段控制策略解决不连续变换引起n-1阶子系统奇异问题, 保证控制律的全局性, 对n-1阶子系统采用反演（backstepping）设计方法, 降低设计复杂度, 设计过程基于有限时间Lyapunov理论, 保证系统的有限时间稳定。

（3）研究了本体动力学模型包含参数和非参数不确定性的轮式移动机器人轨迹跟踪问题, 提出基于自适应反演滑模控制的全局渐进稳定饱和控制方案。

通过运动学输入-输出非线性反馈和动力学输入变换, 建立包含系统总体不确定性项的线性模型, 采用一种动态调整机制实现控制输入饱和约束, 基于幂次趋近律提高了滑模控制的平滑性和快速性, 自适应估计总体不确定性的上界有效削弱了滑模控制的抖振现象。

（4）提出了执行器动力学模型包含参数和非参数不确定性的轮式移动机器人轨迹跟踪与镇定统一控制方法。

通过backstepping分别设计系统的运动学、本体动力学和执行器动力学控制器, 运动学控制器引入了时变控制量, 使跟踪误差模型用于镇定控制时不存在奇异, 本体和执行器动力学控制器分别采用带鲁棒项的强化学习自适应模糊控制补偿系统的复杂不确定性, 采用非线性跟踪-微分器避免了backstepping过程的“计算膨胀”, 闭环系统为最终一致有界收敛。

水下机器人欠驱动控制技术概述
吴海波;孙玉山
【期刊名称】《黑龙江科技信息》
【年(卷),期】2013(000)020
【摘要】运动控制作为自主水下机器人进行自主作业的基本保障，是水下机器人不可缺少的核心技术之一，因此对其进行深入研究具有重要的理论意义与工程应用价值。

在水下机器人在海洋能源开发中发挥着不可或缺作用的今天，利用少于位形空间维数的控制输入控制欠驱动系统的运动具有非常重要的现实意义。

欠驱动控制技术由于在减轻系统质量、节约成本和能耗以及提高系统可靠性等方面的优点使其广泛地应用在自主水下机器人控制技术中。

【总页数】1页(P52-52)
【作者】吴海波;孙玉山
【作者单位】哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨 150001;哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨 150001; 哈尔滨工程大学水下机器人技术重点实验室，黑龙江哈尔滨 150001
【正文语种】中文
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75文丘里管内空化流动大涡模拟的验证与确认梁蕴致，龙云，龙新平，程怀玉17（3）：196−20476基于“神威·太湖之光”的三维有限长方柱绕流直接数值模拟张亚英，吴乘胜，王建春，金奕星17（3）：205−21277潜艇转舵时舵叶材料及舵杆位置对流激噪声特性的影响彭利坤，秦珩，陈佳宝，屈铎17（3）：213−22078逆风条件下柔性风帆性能的流固耦合研究方泽江，谭俊哲，纪光英，袁鹏，孙泽，王树杰17（3）：221−22779基于遗传算法的多自由度波浪能装置浮体形状优化谭铭，杨宇轩，岑雨昊，司玉林，钱鹏，张大海17（3）：228−23680基于CFD水动力参数的水下机器人轨迹跟踪控制罗一汉，吴家鸣，周汇锋17（3）：237−245, 272 81基于短吹模型的主压载水舱吹除仿真与实验验证羿琦，林博群，张万良，钱宇，邹文天，张康17（3）：246−252 82水下爆炸载荷下复合点阵夹层结构冲击响应分析毛柳伟，祝心明，黄治新，李营17（3）：253−263 83计及砰击载荷的舰船疲劳损伤直接计算法分析许维军，华真，任慧龙，李陈峰，李沃达17（3）：264−272 84基于无人艇跨域异构编队协同导航研究进展与未来趋势徐博，王朝阳17（4）：1−11, 5685基于交互式多模型平方根容积卡尔曼滤波的船舶轨迹跟踪杨家轩，陈柏果，马令琪17（4）：12−2386欠驱动船舶自适应神经网络有限时间轨迹跟踪张强，朱雅萍，孟祥飞，张树豪，胡宴才17（4）：24−3187基于双偶极向量场的欠驱动无人船目标跟踪制导方法初庆栋，尹羿博，龚小旋，刘陆，王丹，彭周华17（4）：32−3788自主水下航行器自适应S面三维轨迹跟踪的仿真验证李文魁，周铸，宦爱奇，夏宇轩17（4）：38−46, 91 89能量受限无人机与移动舰船通信中的轨迹优化张艺严，马巍，李彬17（4）：47−5690海上无人系统时间协同航迹规划尹逢川，梁晓龙，陶浩，侯岳奇，齐铎，吴贤宁17（4）：57−7091基于固定时间扩张状态观测器的底栖式AUV点镇定控制高鹏，万磊，徐钰斐，陈国防，张子洋17（4）：71−78 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110舰艇损管指挥信息系统复杂网络结构建模及优化分析伞兵，侯岳，浦金云，王康勃17（4）：220−227111基于多智能体技术的舰炮备品备件配置方法董正琼，唐少康，李晨阳，聂磊，周向东，丁善婷，范宜艳17（4）：228−234112现代水面舰船技术发展思考朱英富，熊治国，袁奕，胡玉龙17（5）：1−8113智能无人系统技术应用与发展趋势王耀南，安果维，王传成，莫洋，缪志强，曾凯17（5）：9−26114自主水下航行器发展趋势及关键技术宋保维，潘光，张立川，黄桥高，于洋，田文龙，董华超，张新虎17（5）：27−44115微波超天线技术的研究与发展陈志宁17（5）：45−51 116船舶与海洋工程流固耦合数值方法研究进展张桂勇，王双强，孙哲，肖启航17（5）：52−73 117潜艇操舵系统噪声综述廖健，何琳，陈宗斌，谭晓朋17（5）：74−84 118含水气界面水动力噪声计算方法研究与应用进展综述于连杰，赵伟文，万德成17（5）：85−102 119舰船流场试验测试技术研究进展郭春雨，郐云飞，韩阳，徐鹏17（5）：103−115 120潜艇大气环境控制关键技术研究现状与展望李俊华，焦桂萍，邓辉，曹聪霄，李芳，马强17（5）：116−124 121船岸协同支持下的内河船舶远程驾控系统关键技术研究马枫，陈晨，刘佳仑，王绪明，严新平17（5）：125−133 122自主水下航行器变浮力系统研究现状及控制技术李奔，黄哲敏，何斌，潘兴邦，徐国华17（5）：134−147 123水下滑翔机垂直面运动的模糊滑模控制方法万磊，张栋梁，孙延超，秦洪德，曹禹17（5）：148−156 124面向海上搜救的UAV与USV集群协同路径跟踪控制王浩亮，尹晨阳，卢丽宇，王丹，彭周华17（5）：157−165 125欠驱动无人船单目视觉伺服镇定控制何红坤，王宁17（5）：166−174, 183126面向过驱动UUV推进器容错控制的非线性观测自适应推力分配王观道，向先波，李锦江，杨少龙17（5）：175−183127基于海事规则的中型无人艇避碰路径规划算法研究及应用王鸿东，易宏，向金林，付悦文17（5）：184−195, 203128碎冰阻力的替代试验及其变化规律研究宗智，陈昭炀17（5）：196−203 129滑移边界对高雷诺钝体绕流流动分离及阻力的影响陈伟，冷文军，何鹏，王磊17（5）：204−211130极地船舶结构设计思考Bernt J. LEIRA，柴威，GowthamRADHAKRISNAN17（5）：212−219131液舱一体化浮筏隔振系统声学性能理论分析雷智洋，杜堃，吴崇建，陈志刚，闫肖杰，刘均17（5）：220−227132水下爆炸作用下舰船冲击毁伤的瞬态流固耦合FSLAB软件数值模拟分析刘云龙，王平平，王诗平，张阿漫17（5）：228−240133战斗部舱内爆炸下舰船耦合毁伤数值计算周沪，岳学森，孔祥韶，郑成，吴卫国17（5）：241−249, 267 134双层隔振限位系统抗冲击性能的参数优化及偏差研究顾永鹏，王晓欣，王洪涛，李笑天17（5）：250−256 135无人船综合电力技术应用与发展分析王东，纪锋，艾胜，胡鹏飞，刘治鑫，梅丹17（5）：257−267136应用于中频逆变电源的基于切−割线中点逼近的不对称规则采样SPWM方法李维波，方鹏，潘峻锋，郝春昊，张忠田17（5）：268−277, 288137齿轮激励下齿轮传动−推进系统的动态响应特性及影响规律试验研究黄志伟，陈彦齐，雷智洋，黄修长，彭伟才，华宏星17（5）：278−288138基于图卷积网络的非均衡数据船舶柴油机故障诊断王瑞涵，陈辉，管聪，黄梦卓17（5）：289−300 139捷联惯导系统初始对准研究现状及展望罗莉，黄玉龙，常路宾，张勇刚17（5）：301−313 140基于MBSE的装备作战概念模型化设计董晓明，韩研，王质松，王文恽17（5）：314−322 141舰艇信息基础设施研究进展马辰，张小凡，李宁17（6）：1−14 142无人舰船机舱智能化技术应用探析徐亮，郭力峰，钟琮玮，钱勤标17（6）：15−21, 47 143船舶大容量储能系统应用研究综述方斯顿，王鸿东，张军军17（6）：22−35 144船舶综合电力系统重构技术现状及展望梁正卓，朱琬璐，朱志宇，智鹏飞，楚浩清17（6）：36−47 145面向船联网的高效隐私保护联邦学习方法张泽辉，管聪，高航，高铁杠，陈辉17（6）：48−58146基于航行逻辑划分语义标签的可视化分析方法蔡智媛，余龙，杨俊，张芮菡，吴曾宇，王宇林，李从波17（6）：59−69147基于统计学习的船舶泵喷推进系统实船快速性预报新方法杨琼方，伍锐，郑敏敏，马雪泉，刘恒，杨佾林17（6）：70−78, 87148基于数据大脑的船岸一体机舱智能运维系统研究设计许萌萌，张成伟，梅顺峰，刘子杰，栾天宇17（6）：79−87 149基于全息SDP的船舶推进轴系轴承故障诊断研究廖志强，贾宝柱17（6）：88−95 150基于卷积神经网络的蒸汽动力系统故障诊断苏健，宋汉江，宋福元，张国磊17（6）：96−102 151基于动态特征融合的船舶柴油机进排气系统故障诊断曹乐乐，张鹏，高泽宇，张跃文，孙培廷17（6）：103−110 152EEMD改进算法在异步电机轴承故障诊断中的应用吴勇，朱建军，邹奔17（6）：111−117 153基于Stacking的机舱设备剩余寿命预测方法郭朝有，许喆，姚乾17（6）：118−125 154基于维纳过程的船舶柴油机增压器寿命预测赵思恒，周航，周少伟17（6）：126−132 155基于润滑数值模型和状态参数的艉轴承性能衰变研究张涛，郜慧敏，喻繁振，杨琨17（6）：133−140, 147 156基于灰色系统理论的推进轴系负荷预测分析张玉龙，吴炜，周建辉17（6）：141−147157反馈–前馈变增益迭代学习法在某型电液位置伺服系统中的应用刘玄，李维波，邹振杰，高佳俊，詹锦皓17（6）：148−154158基于鲸鱼优化算法的燃料电池/锂电池混合动力船舶能效优化分析胡东亮，袁裕鹏，瞿小豪，尹奇志17（6）：155−166159以型线图为数据输入的CATIA船体建模方法李井义，胡勇，俞峰，朱军17（6）：167−173, 181 160基于抗沉干预行为的舰艇进水过程建模与仿真王式耀，侯岳，王康勃，龚立17（6）：174−181 161舰船上方拱顶磁场等效面磁荷推算赵文春，欧阳剑锋，刘胜道，文昊东17（6）：182−186 162初始横倾角对船舶横摇运动响应的影响章泽文，娄相芽，余象鹏，何林，柴威17（6）：187−192 163采用弦式系泊系统的海洋平台水动力性能数值模拟分析付冲，赵刘群，孙雷17（6）：193−208 164一种与障碍物距离可控的水面无人艇路径规划方法杨兵，赵建森，王胜正，谢宗轩，张学生17（6）：209−215 165球形水下机器人滚进特性试验与动力学建模分析徐鹏飞，吕韬，葛彤，程红霞，赵敏17（6）：216−222 166基于多电机协同推进的遥控水下航行器姿态控制研究王阳，曾庆军，戴晓强，吴伟17（6）：223−235, 251 167开孔球面舱壁特征应力组合代理模型预报方法陈天怡，和卫平，刘均，程远胜17（6）：236−243 168截卵形弹体侵彻加筋板架结构数值仿真祝奔霆，吴国民17（6）：244−251 169基于陆上振动测试的水中圆柱壳结构声振响应计算方法李广生，陈美霞，原春晖17（6）：252−260 170船舶护舷结构抗碰撞动态模拟胡艺，丁仕风，周利，鲍文倩，赵丽刚17（6）：261−270。

题目：欠驱动USV航迹跟踪控制技术学号：姓名：联系方式：一、概述水面无人艇（Unmanned Surface Vessel, USV）是一种具有自主规划、自主航行能力，并可以自主方式或人工干预的方式完成环境信息感知、目标探测等任务的小型水面舰艇。

是由无人机UA V、地面机器人UGV、水下无人航行器UUV 以及水面无人艇组成的无人系统的重要组成部分。

各种无人系统共同的鲜明特点是系列化、模块化、分布式、网络化以及协调能力。

欠驱动的意思是指系统的独立控制输入的数量小于与系统本身需要控制的自由度的特性。

大多数水面船，水下潜器，航空航天器(包括直升机、航天飞机等)，基准系统(包括倒立摆、球棒系统、柔性机械臂)，非完整移动机器人(包括仿生机器人)以及交通运载工具(包括机车、吊车)都是典型的欠驱动特性系统。

无人艇的控制系统具有欠驱动特性。

无人艇的推进主要依靠安装于艇体尾部的喷水推进器，它和其他推进器的不同之处在于利用喷水泵喷出水流的反作用力来推动船舶前进，并通过操舵倒航设备分配和改变喷流方向来实现操纵控制。

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。

无人艇的航迹跟踪控制就是指在艇体控制系统的驱动控制下，使艇从一定的初始位置航行进入预先规划好的航线上，始终保持稳定并能够沿着规划的航线抵达目的地。

目前，航迹跟踪控制是运动控制领域的主要研究热点之一，同时，研究无人艇的航迹跟踪控制能够为无人艇的精确攻击和快速作战提供有利信息，具有重要的实际应用价值。

随着作战方式的变革，无人作战系统成为未来军事武器装备发展的主流趋势并得到了世界各国的重视，如今己在陆海空等多维领域取得了实质性的进展。

如在空中领域发展的无人飞行器，在地面发展的无人车，在水下发展的无人潜航器以及在水面发展的无人艇等等。

无人作战平台成为未来战争中监视、侦查、探测、情报收集、准确打击、武装保护、执行特殊作战任务、实现有生力量零伤亡的重要手段。

基于自抗扰理论的欠驱动AUV无模型自适应路径跟踪控制付少波, 关夏威, 张　昊(武汉第二船舶设计研究所, 湖北 武汉, 430205)摘 要: 面向自主水下航行器(AUV)精准回收的任务需求, 针对AUV运动中模型不确定性、易受环境干扰导致的路径跟踪精度不足的问题, 从无模型控制的角度出发, 提出了一种适用于AUV的基于自抗扰控制理论的无模型自适应控制(ADRC-MFAC)算法。

该算法针对2阶系统模型特性, 结合视线角制导重新设计控制输入准则函数对无模型自适应控制(MFAC)进行了改进, 解决了MFAC只适用于自衡系统的问题。

引入跟踪微分器对期望信号进行指令平滑, 考虑未知复合干扰的影响设计了线性扩张状态观测器, 在控制器中对估计扰动进行补偿, 并证明了所提控制器的稳定性, 提升了系统鲁棒性。

在同样的干扰情况下, 文中控制方案相比传统比例-积分-微分控制器抗干扰能力提升了42.37%, 控制精度提高了45%, 表明ADRC-MFAC能够明显改善AUV的抗干扰性能, 提高路径跟踪精度。

关键词: 自主水下航行器; 无模型自适应控制; 路径跟踪; 自抗扰中图分类号: TJ63; U674 文献标识码: A 文章编号: 2096-3920(2024)02-0328-09DOI: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0120Model-Free Adaptive Path Tracking Control Based on Active DisturbanceRejection Control for AUVsFU Shaobo,　GUAN Xiawei,　ZHANG Hao(Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205, China)Abstract: In view of the task requirements of accurate recovery of autonomous undersea vehicles(AUVs), a model-free adaptive control based on the active disturbance rejection control(ADRC-MFAC) algorithm was proposed from the perspective of model-free control, so as to improve the insufficient path tracking accuracy caused by model uncertainty and vulnerability to environmental interference in AUV motion. According to the characteristics of the second-order model system and line-of-sight guidance, the MFAC was improved by redesigning the control input criterion function, solving the problem that MFAC was only applicable to the self-balancing system. A tracking differentiator was introduced to smooth the desired signal, and a linear extended state observer was designed by considering the influence of unknown compound interference. The estimated disturbance was compensated for in the controller. The stability of the controller was verified, and system robustness was improved. Under the same interference, the proposed control scheme could improve the anti-interference ability and control precision by 42.37% and 45%, compared with the traditional proportional-integral-differential controller. The result shows that ADRC-MFAC can significantly improve the anti-interference performance of AUVs and enhance path tracking accuracy. Keywords: autonomous undersea vehicle; mode-free adaptive control; path tracking; active disturbance rejection收稿日期: 2023-10-10; 修回日期: 2023-12-02.基金项目: 湖北省青年拔尖人才基金资助.作者简介: 付少波(2000-), 男, 硕士, 主要研究方向为自主水下航行器导航与控制技术.第 32 卷第 2 期水下无人系统学报Vol.32 N o.2 2024 年 4 月JOURNAL OF UNMANNED UNDERSEA SYSTEMS Apr. 2024[引用格式] 付少波, 关夏威, 张昊. 基于自抗扰理论的欠驱动AUV无模型自适应路径跟踪控制[J]. 水下无人系统学报, 2024, 32(2): 328-336.0　引言海洋是人类赖以生存和发展的空间, 蕴藏着丰富资源[1]。

欠结构水下机器人的自适应位置跟踪控制器的设计
陈奕梅;韩正之
【期刊名称】《系统仿真学报》
【年(卷),期】2005(17)7
【摘要】欠结构水下机器人的控制是一个具有很大难度的课题。

研究了一种欠结构多方位智能机器人的跟踪问题,在机器人参数不确定及存在未知环境扰动的情况下,设计出了连续的自适应控制器,使得机器人可以自动地跟踪任意光滑的轨迹,并且跟踪误差收敛于半径为任意小的原点的邻域。

Matlab仿真研究表明了该控制方案的有效性。

【总页数】3页(P1714-1716)
【关键词】欠结构系统;水下机器人;自适应跟踪;非线性控制
【作者】陈奕梅;韩正之
【作者单位】上海交通大学电子信息与电气工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP271
【相关文献】
1.欠驱动式水下监测机器人航路点轨迹跟踪控制技术研究 [J], 袁健
2.机器人系统自适应鲁棒H∞跟踪控制器设计 [J], 闫建国;贾秋玲;李广文
3.非完整移动机器人轨迹跟踪自适应控制器设计 [J], 李会来;李小民;陈静华
4.欠驱动三维桥式吊车系统自适应跟踪控制器设计 [J], 孙宁;方勇纯;王鹏程;张雪
波
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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基于LOS导航的欠驱动船舶滑模控制秦梓荷;林壮;李平;李晓文【摘要】考虑存在外界随机海浪干扰和模型参数不确定的欠驱动船舶非线性运动模型,提出一种基于可视距(LOS)导航的滑模控制器.通过设计切换面克服参数不确定以及波浪扰动对反馈控制带来的困难,并在滑模控制的基础上引入低通滤波器,消除因扰动和滑模切换面自身引起的横漂速度和艏摇速度的高频振荡,实现速度的光滑控制.利用李亚普诺夫理论对控制算法的稳定性进行证明,并进行一艘单体船的数值仿真实验.研究结果表明:所设计的控制器是有效的,且具有良好的鲁棒性.【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(047)010【总页数】7页(P3605-3611)【关键词】欠驱动船舶;路径跟踪;可视距导航;滑模控制;鲁棒性【作者】秦梓荷;林壮;李平;李晓文【作者单位】哈尔滨工程大学船舶工程学院,黑龙江哈尔滨,150001;哈尔滨工程大学船舶工程学院,黑龙江哈尔滨,150001;哈尔滨工程大学船舶工程学院,黑龙江哈尔滨,150001;哈尔滨工程大学船舶工程学院,黑龙江哈尔滨,150001【正文语种】中文【中图分类】TP273对欠驱动船舶的轨迹跟踪和路径跟踪控制而言，主要难点在于只有艏摇和纵向速度是直接驱动的，而横漂速度则无驱动。

考虑到经济性，该种欠驱动配置是目前水面船舶最普遍采用的形式[1]。

为确保欠驱动船舶的航行安全，同时提高自动驾驶控制效率，针对欠驱动船舶的控制算法研究具有突出的实际意义。

在欠驱动系统的控制算法方面，已有相关研究成果[2−4]。

目前常用的欠驱动控制方法有反步法、滑模理论、级联理论、李亚普诺夫理论等。

杨莹等[5]基于反步法和参数自适应的方法，针对未知海流以及模型参数不确定情况下欠驱动AUV的三维路径跟踪进行了研究。

DO等[6]基于级联系统方法和利普西斯投影算法，对欠驱动船舶的路径跟踪问题进行了鲁棒自适应算法研究。

丁磊等[7]为解决欠驱动船队的编队控制问题，结合反步法和领导−跟随法设计了编队控制器，实现了多欠驱动系统的位置误差镇定和航向稳定性控制，但未计及波浪扰动的影响。

基于反步法的欠驱动UUV空间目标跟踪非线性控制方法研究一、本文概述随着海洋资源的日益开发和利用，水下无人航行器（UUV，Unmanned Underwater Vehicle）在海洋探测、资源开采、环境监测等领域的应用日益广泛。

欠驱动UUV，即其运动控制中驱动装置数量少于所需独立控制运动模态数量的UUV，由于其结构简单、成本低廉等优点，成为了研究热点。

然而，欠驱动UUV的空间运动控制是一个复杂的非线性问题，尤其在执行空间目标跟踪任务时，需要解决动力学模型的复杂性、环境干扰、模型不确定性等难题。

针对上述问题，本文提出了一种基于反步法的欠驱动UUV空间目标跟踪非线性控制方法。

反步法是一种非线性控制设计方法，通过构造一系列递推的控制Lyapunov函数，将复杂的非线性系统分解为一系列易于处理的子系统，从而设计出使系统稳定且满足性能要求的控制器。

本文首先建立了欠驱动UUV的空间运动模型，然后利用反步法设计了非线性控制器，使得UUV能够准确跟踪空间目标。

本文的主要内容包括：对欠驱动UUV的空间运动模型进行详细描述，并分析其非线性特性和控制难点；介绍反步法的基本原理及其在非线性控制设计中的应用；然后，详细阐述基于反步法的欠驱动UUV 空间目标跟踪非线性控制器的设计过程，包括控制器的稳定性分析和性能验证；通过仿真实验验证所提控制方法的有效性，并与其他控制方法进行比较分析，展示其优越性和适用性。

本文的研究不仅对欠驱动UUV的空间运动控制具有重要的理论意义，而且对于推动UUV在海洋探测、资源开采等领域的实际应用具有积极的推动作用。

通过本文的研究，希望能够为欠驱动UUV的空间目标跟踪控制提供一种新的有效方法，并推动相关领域的进一步发展。

二、欠驱动UUV运动模型与空间目标跟踪问题描述欠驱动水下无人航行器（UUV）是一种在海洋环境中执行各种任务的自主或遥控设备。

与全驱动UUV相比，欠驱动UUV通常只配备有限的推进器和控制系统，使得其在水下运动中面临更多的挑战。

欠驱动水面机器人变周期全局渐近镇定控制张鹏飞;郭戈【摘要】为了实现欠驱动水面机器人的全局渐近镇定,首先借助微分同胚变换,将欠驱动水面机器人的镇定问题转化成对由两个串级子系统构成的二阶欠驱动系统的镇定问题.针对转换后的系统,本文提出一种光滑的变周期控制方法,以实现对该系统的全局渐近镇定.与已有文献中控制律使用常数周期的方法相比,本文方法根据系统状态实时调整控制律周期,从而提高系统在原点附近的收敛速率.随后,基于上述方法,给出了水面机器人变周期控制算法,实现原系统的全局渐近镇定.最后,仿真对比结果验证所提变周期控制方法的有效性.【期刊名称】《控制理论与应用》【年(卷),期】2019(036)005【总页数】7页(P746-752)【关键词】欠驱动水面机器人;变周期控制;全局稳定;渐近稳定【作者】张鹏飞;郭戈【作者单位】大连海事大学自动化系,辽宁大连116026;大连海事大学自动化系,辽宁大连116026【正文语种】中文1 引言动力定位可应用于钻井、打捞、海上救助、铺管、海洋调查、潜水等各种作业,近几十年得到了广泛研究[1-3].由于各种实际任务的要求,欠驱动水面机器人(underactuated surface vessel,USV)常常需要依靠自力进行保持位置和姿态的操纵、系泊操纵(包括锚泊、单点系浮和靠泊操纵).此时,USV运动控制问题在理论上可归结为镇定控制,它主要包括定位控制和自动靠泊控制.其难点是系统在平衡点线性化后不可控[4].且由于USV加速度不可积分,属于非完整约束系统,不存在光滑时不变状态反馈控制规律使USV稳定在平衡点[5].因此USV的镇定控制具有深刻的理论和工程意义.近年来,USV的渐近镇定控制得到了深入研究.Reyhanoglu[6]和Pettersen等人[7-8]基于含有奇异项的坐标变换,提出了全局镇定控制方法,但存在奇异性问题.Ghommam等人[9]、Ma[10]和Zhang等人[11]通过切换策略避免出现奇异性问题,同时实现了USV的全局渐近镇定.文献[6-11]虽能得到较理想的收敛速率,但所得控制器不光滑,不利于工程实现.因此,本文侧重研究光滑的镇定控制策略.在光滑的全局渐近镇定控制研究中,周期方法是最常见的策略[12-18].该方法的特点是在控制器中引入关于时间t的周期函数,使系统渐近稳定.Petters-en等人[12,14]和Dong等人[13]基于反步法,使用周期控制策略,实现USV的全局渐近镇定.Ma等人在文献[15]中提出一种新的周期控制方法,和文献[12-14]相比,避免使用反步法,结构更简单,随后在文献[16-18]中考虑了USV的非对角特性和参数不确定性.文献[12-18]和文献[6-11]相比,虽能得到光滑的全局渐近镇定控制律,但系统收敛速率无法保证.基于以上讨论,本文旨在提出一种光滑的渐近稳定控制方法且同时保证系统的收敛速率.为此本文提出一种变周期控制律.在欠驱动USV的动力学及运动学模型的基础上,为克服USV的欠驱动问题,引入微分同胚变换和输入变换,将其拓展为二阶欠驱动系统,把对原系统控制律的设计转变为对该二阶欠驱动系统控制律的设计.针对该二阶系统,基于李亚普诺夫函数和Barbalat引理[19],提出一种光滑的变周期控制方法,实现对转换后系统的全局渐近镇定,进而得到原系统的全局渐近镇定反馈控制律.和文献[6-11]相比,本文的控制律是光滑的.和文献[12-18]中的周期控制方法相比,本文引入一种频率实化的变周期函数,以此提高系统的收敛速率.最后仿真结果验证了该控制律能有效提高原系统的收敛速率,且能在任意初始条件下实现镇定控制.2 系统建模和模型变换2.1 系统建模和控制目标忽略USV动力学模型中所有高阶非线性阻尼项和风、浪、流等环境扰动因素,假设USV几何中心对称,则欠驱动系统的运动学模型为[20]动力学模型为[20]式中:x,y和ψ分别为USV在地坐标下的横向位置坐标、纵向位置坐标和航向角;u,v和r分别表示USV的前进速度、横漂速度和转艏角速度;表示包含附加质量的惯性参数,其中m为USV的质量,m11,m22和m33是附加质量,d11,d22和d33表示在前进、横漂和转艏角方向上的水动力阻尼,τu和τr表示推进力和转艏力矩.本文的控制目标是设计控制器使系统(1)和(2)全局渐近稳定,即满足如下条件:2.2 模型变换常规USV配置在运动方程中仅存在2个控制输入τu和τr,不存在横向推力.因此不存在光滑时不变的控制器能够渐近镇定系统(1)和(2)[5],给系统的分析和设计带来很大的困难.对USV的模型进行微分同胚变换[12],定义并做如下输入变换[12]:对式(3)求导并把式(4)代入可得通过坐标变换,USV模型被转化成含有2个子系统的新模型.对于系统(5)和(6),从文献[13]引入如下2个结论:引理1 如果存在控制律使系统(5)和(6)全局渐近稳定,则该控制律能使系统(1)和(2)全局渐近稳定.引理2 如果存在控制律使子系统(6)全局渐近稳定,则该控制律能使系统(5)和(6)全局渐近稳定.根据引理1和2可知,如果存在控制律使子系统(6)全局渐近稳定,则一定存在控制律使系统(1)和(2)全局渐近稳定,即可实现控制目标.3 主要结论本章首先对子系统(6)提出变周期控制方法,并给出稳定性证明,并把结果推广到系统(1)和(2).且为了方便应用,给出完整的USV全局渐近镇定控制算法.为了方便分析和设计,首先引入Barbalat引理[19]:引理3 设z:[0,∞)→R为一阶连续可导,且当t→∞时有极限,若(t)在t∈[0,∞)上一致连续,则.以及一致连续性判定引理[21]:引理4 l(ε)在区间I(I可开、半开、有限或无限)可导,且在I有界,则函数l(ε)在I上一致连续.3.1 变周期控制方法传统周期控制方法通过引入时变项cost或sint,为状态ϑ2的稳定提供持续激励,但该方法不能保证状态ϑ2在原点附近的收敛速率.为此提出如下控制器:引理5 对于子系统(6),存在如下光滑的控制规律:可使状态ϑ2,ϑ3,ϑ5和ϑ6全局渐近收敛到0,其中:α>0,β>0,κ1>0,κ2>0,λ0是可选参数.证为了更清晰的阐述结论,引理5的证明分为光滑性和稳定性两部分.首先,证明控制律(7)光滑,即T(t)光滑.定义f(t)=1/[β + ϑ22(t)]α,则函数T(t)可写成如下形式:因为状态ϑ2连续,所以f(t)是连续,可得T(t)连续.即ϖ1和ϖ2连续,根据子系统(6)可知,连续.对函数T(t)求导可得其中是f(t)的导数.因为连续,可知连续.即和连续,对子系统(6)中各状态求导,可得和连续.对函数求导可得其中:因为继而得出连续.以此类推可知无连续,可知连续,即连续,穷阶可导,控制规律(7)的光滑性证明完毕.接下来,证明系统的稳定性.把控制器(7)代入系统(6)可得定义如下李雅普诺夫函数:根据系统(8)可得等式(9)说明V单调递减且有界,所以V存在极小值,且状态ϑ2,ϑ3和ϑ6有界,又因为在等式(8)中,状态ϑ5的动态特性满足且T(t)有界,可得状态ϑ5有界.因此,状态ϑ2,ϑ3,ϑ5和ϑ6有界.对等式(9)左右两边同时求导,可得因为状态ϑ2,ϑ3,ϑ5和ϑ6有界,可得连续且有界.根据引理4,一致连续,再根据引理3,结合等式(9)-(10)可得,.又因为系统(8)中,.因此连续,对求导,可知连续且有界,根据引理4,一致连续,因此根据引理3可得根据前文可知,,结合等式(11)有又因为ϑ2ϑ5+ϑ3的导数为因此连续,等式两边同时求导可得根据前文可知,状态ϑ2,ϑ3,ϑ5,ϑ6,T(t),连续有界,因此连续有界,根据引理4,一致连续,根据引理3,可得因为且状态ϑ5有界,式(13)意味着对等式两边同时求导,因此连续.对等式(15)两边求导可得据前文推导结果可知,状态ϑ2,ϑ3,ϑ5,ϑ6,T(t),连续有界,因此连续有界.根据引理4,一致连续,再根据引理3可得即因为且ϑ2和ϑ5有界,且据等式(14)可知所以等式(16)意味着即也就是因此对于系统(6),控制律(7)可使状态全局渐近收敛.此外,在系统(8)中,状态的动态特性是T(t)ϑ2,状态ϑ2全局渐近收敛,则必有根据等式(11)可知因为可得.综上所述,状态ϑ2,ϑ3,ϑ5和ϑ6全局渐近收敛到0,引理5证明完毕.注1 闭环系统(8)中,状态ϑ5为状态ϑ2收敛提供持续激励.由于,随着状态ϑ2收敛到0,状态ϑ5提供的激励逐渐降低.状态ϑ2越靠近0点,该问题越明显,为了解决这一问题,本文提出变周期控制方法.该方法的特点是:函数T(t)频率状态ϑ2收敛而增加,并满足当ϑ2收敛到原点附近邻域时,函数T(t)的频率主要由参数β和λ决定,取值越大,函数T(t)频率越大.幅值不变的情况下,函数T(t)频率越大,状态ϑ5为ϑ2提供的激励越大,状态ϑ2收敛越快.相反,当|ϑ2|较大时,系统频率受β和|ϑ2|共同影响,T(t)频率较小,以此减小执行器的负担.注2 和文献[12-18]中的方法相比,本文引入变周期时变项T(t)代替cost,通过实时调整周期频率解决状态ϑ2在0点附近收敛缓慢的问题.和文献[12-14]相比,本文避免使用反步法,结构更简单.引理5给出了子系统(6)的全局渐近稳定控制律,继而可得原系统的全局渐近稳定控制律:定理1 对于系统(1)和(2),存在如下的光滑控制规律:使状态全局渐近收敛到0,其中:α>0,β>0,κ1>0,κ2>0,λ0是可选参数.证由引理5可知,控制律(7)使系统(6)全局渐近稳定.结合引理1-2可知,控制律(7)也可使系统(1)-(2)全局渐近稳定.同时考虑输入变换(4)经过简单计算可得,控制律(18)-(19)可使系统(1)-(2)全局渐近稳定.由于空间和篇幅有限,不再赘述,定理1证明完毕.3.2 镇定控制算法本文的USV镇定控制方法可总结为如下算法(变周期控制算法):1) 初始化系统控制参数κ1,κ2,α,β和λ.2)测量系统状态初始值x(0),y(0),ψ(0),u(0),v(0),和r(0).3)测量机器人参数m11,m22,m33,d11,d22和d33.4)定义变周期函数T(t)为5)定义如下形式的坐标变换:6)计算虚拟输入ϖ1和ϖ2:7)计算真实控制输入τu和τr,4 仿真采用文献[6]中USV参数进行仿真研究,具体数据为m11=200 kg,m22=250 kg,m33=80 kg·m2,d11=70 kg/s,d22=100 kg/s,d33=50 kg·m2/s.本文所选参数为:κ1=1,κ2=2,λ=5,α=0.5,β=0.2.系统状态的初始值为定义速度指标Q=u2+v2+r2,图1-4表示本文变周期方法和文献[13]中方法关于x,y,ψ和Q的响应对比结果.通过仿真结果可以看出,本文提出的变周期控制方法能同时提高系统位置、角度和速度的收敛速度,且越靠近原点附近,变周期控制律效果越明显,验证了所设计控制律的有效性.图5-6分别是本文与文献[13]关于控制输入τu和τr的对比结果.图5中0 s到2 s 之间,本文和文献[13]中的控制器周期频率差距较小.2 s之后,本文设计的控制器τu 变成高频周期控制输入,说明2 s开始变周期控制作用明显.图1 本文和文献[13]关于x方向位置的响应对比图Fig.1 Comparison ofx-coordinate position of this paper and Ref.[13]图2 本文和文献[13]关于y方向位置的响应对比图Fig.2 Comparison ofy-coordinate position of this paper and Ref.[13]图3 本文和文献[13]航向角ψ响应对比图Fig.3 Comparison of heading angelψof this paper and Ref.[13]图4 本文和文献[13]关于速度性能指标Q的响应对比图Fig.4 Comparison of velocity performance indexQof this paper and Ref.[13]图5 本文和文献[13]关于控制输入τu的对比图Fig.5 Comparison of inputτuof this paper and Ref.[13]图6 本文和文献[13]关于控制输入τr的对比图Fig.6 Comparison of inputτrof this paper and Ref.[13]且由图5-6可以看出,本文控制方法中τu和τr绝对值的最大值,明显低于文献[13]中的控制方法,这间接说明本文控制方法可以明显降低能量消耗,而图7验证了该问题.定义能耗指标图7说明,本文方法不仅收敛速率大于常规的光滑控制方法,且能耗明显低于文献[13].图7 本文和文献[13]关于能耗J的对比图的对比图Fig.7 Comparison of energy consumptionJof this paper and Ref.[13]USV受到外部环境扰动时,被控系统须具有一定的鲁棒性.图8是USV在受到界值为0.1的环境随机扰动时,状态x,y和ψ关于时间的响应曲线.可以看出,即使受到外部扰动,系统状态不会发散,仍会收敛到原点的有界领域内.图8 状态x,y,ψ在外部干扰下的时间响应Fig.8 Responses ofstatesx,yandψwith external disturbances.图9 性能指标s在λ=5和λ=30下的时间响应曲线Fig.9 Response of performance indexsbyλ=5andλ=30同时,设计性能指标s=||x,y,ψ,u,v,r||2.图9显示参数β=0.2的情况下,λ分别取值λ=5和λ=30时,性能指标s随时间变化响应曲线.在λ=30和λ=5时,变量s的平均幅值分别在0.2和0.35附近,证明在绝大多数时间,可调节控制其参数的大小来提高被控USV的鲁棒性能.5 总结本文讨论了USV的镇定控制问题.首先将USV运动学及动力学方程演化为一个二阶系统运动方程组.针对其欠驱动的特性,借助微分同胚变换及控制输入变换将其转化为2个子系统.为了镇定所得到的子系统并且提高系统在原点附近的收敛速率,提出了一种变周期的镇定策略,通过提高在原点附近的控制器周期频率,提高系统的稳定速率.该方法可用于欠驱动USV动力定位或自动泊位控制.最后的仿真试验,验证表明本方法是有效的.根据目前USV镇定控制的发展状况,多数控制算法都忽略扰动、地形、状态观测等因素,文献[22-24]虽在USV控制中考虑这些因素,但其研究方向不是镇定控制.且大多数USV镇定控制方法仅仅侧重于理论研究和仿真验证,而未能用于工程实践.如何设计控制律简单有效、约束条件少、计算量小、易于工程实现的USV控制器,并进行海上实验,具有重要的研究意义.【相关文献】[1]XIE W,MA B,FERNANDO T,et al.A simple robust control for global asymptotic position stabilization of underactuated surface vessels.International Journal of Robust and Nonlinear 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谭震林镇定应对“瑞金事件”
刘勉钰
【期刊名称】《党史文苑（纪实版）》
【年(卷),期】2012(000)007
【摘要】抗日战争爆发后，根据国共两党谈判协议，南方红军游击队改编为国民
革命军新编第四军，简称新四军，由北伐名将叶挺任军长．南方三年游击战争最高领导人项英任副军长。

但新四军成立不到一个月，国民党江西瑞金当局就挑起了一起破坏抗日民族统一战线的事端，史称“瑞金事件”。

由于谭震林沉着应对，没有让事态扩大，经过多方努力．事端终于得到解决。

【总页数】2页(P36-37)
【作者】刘勉钰
【作者单位】
【正文语种】中文
【相关文献】
1.不确定非线性系统自适应动态事件触发输出反馈镇定
2.突发事件应对语境下地方立法质量提升路径解析——基于《山东省突发事件应对条例》文本分析
3.突发事
件中应对谣言传播的策略和建议——评《谣言传播规律与突发事件应对策略研究》4.不对称欠驱动水面机器人事件触发全局渐近镇定控制5.瑞金市强化公路建设水保违规事件管理
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