欠驱动自主水下航行器移动式回收控制及视景仿真

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自主水下航行器轴向运动的自适应反演滑模控制

数，Ｆ为推进器产生的推力，＜ｔ１０＜为推力减额系
反演技术是一种基于Ｉａｕｏ．ｐｎｖ稳定性理论的ｙ非线性控制递推设计方法［］针对具有严格反馈形６，式的非线性系统，系统的输出开始向控制输入“ 从反演 ” 得到一系列系统化的反馈控制律和相应的，
中图分类号：Ｐ４Ｔ２２
精确的轴向运动控制，尤其是位置跟踪控制，对于自主水下航行器（ＡＵＶ）成侦察、下测量、完水目
跟踪控制问题，于自适应反演控制方法，海流作基将为未知模型参数进行在线估计，并引入滑模控制技术克服系统的未建模特性，证了轴向位置跟踪误保
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２００８月７年
西北工业大学学报
ＪｕｎｌｆＮｏｔｗｅｔｒｌｔｃｎｃｌｎｖｒｉｙｏｒａｒｈｓｅｎＰｏｙｅｈｉａｉｅｓｔｏＵ
Ａｕ．ｇ
２００７
第２卷第４５期
ＶｏＩ２５Ｎｏ．．４
自主水下航行器轴向运动的自适应反演滑模控制
高剑，徐德民，李俊，严卫生，张福斌
（北工业大学航海学院，西西安７０７）西陕１０２
摘要：究了自主水下航行器在未知海流作用下的轴向运动跟踪控制问题，用非线性反演设计研采
数，ｆ（）为模型中的未建模动态。Ａｕ

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

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

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。

AUV水下回收过程中的操纵性仿真研究

第１５卷第８期
２１年８月０１
文章编号：１０ — ２４２１０～８７００７７９（０１）８０３ — ７
船舶力学
ＪｕｎｌｆＳｉｃａｉｓｏｒａｈｐＭｅｈｎｃｏ
Ｖ０。５１１Ｎｏ８．
ｔｅｐｏｅｄｇｅｆｔｅＡＵＶ．Ｔｈｒｆｒ，ｔｅＡＵＶａｏｌｔｈｅｕｄｅａｅｅｏｅｙｈｓｅｒｅｏｈｅｅｏｅｈｃｎｃｍｐｅｅｔｎｒｔｒｒｃｖｒ．ｗ
Ｋｅｏｄ：ｕｏｏｏｓｎｅａｅｅｉｅ（Ｕ）ｄｓｒｅｑｉｅｆｈｕｍａｉｅｍｏｏ；ｙｗｒｓＡｔｎｍｕｄｒｔｒｈｃＡＶ；ｉｕｂｄｌｕｄｆｌｏｅｓｂｒｔｎＵｗＶｌｔｉｉｄｔｎｉ
ａｄｔｄｌｆｒｃｌｕａｉｇｄｓｕｒｄｆｒｅｃｕｓｄｂｈｅｓｂｍａｉｔｎｗａｓａｌｓｅｈｏｈｐｎｈｅｍｏｅｏａｃｌｔｎｉｔｂｅｏｃａｅｙｔｕｒｎｅｍｏｉｓｅｔｂｉｈｄｔｒｕｇｃ－ｏ
Ａｕ．２ｇ０１１
ＡＵＶ水下回收过程中的操纵性仿真研究
杜晓旭，宋保维，潘光
（北工业大学航海学院，安７０７）西西】０２
摘要：建立自主水下航行器（在简称ＡＶ）自由度运动模型的基础上，于势流理论建立了潜艇运动扰动流场Ｕ六基

自主水下航行器避障的视景仿真实现

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第２卷第６５期
文章编号：０６—９４（０８００９０１０３８２０）６— １８— ４
计
算机Biblioteka 仿真２８月０年６０
自主水下航行器避障的视景仿真实现
马文杰，严卫生，志辉桂
ｆｎｔｎｐｏｉｅｙＶｇｎｓｒｄｆｅｏｍｅｃｌｓｎｍｔｏ，ｔｎｔｎｏｒａｄｌｋｇｓｎｒ（Ｌ）ｕｃｉｒｖｄｂｅａａｄｕｅ — ｅｎｄＶｌｏｌｉｅｄｈｆｃｏｆｏｗｒｏｉｏａＦＳｏｄｉｕｉｏｈｅｕｉｆｏｎ
（西北工业大学航海学院，陕西西安７０７）１０２摘要：了在虚拟环境下模拟自主水下航行器的避障过程，为基于软件平台ＭｕｉｅｒａｒＶｇ，ＨｈＧｎＣｅｔ和ｅａ在Ｐ图形工作站上开发ｏ了自主水下航行器避障视景仿真平台。提出了一种避碰声纳的仿真方法，利用Ｖｇｅａ提供的碰撞矢量函数和自定义的Ｖ０】一Ｕｉｔｌｅ碰撞方式，模拟前视声纳的功能，并利用Ｖｇｅａ的ｌｅｔｒ来仿真避碰声纳发现障碍物的过程。在ＡＵｓｃｓｏＶ避障的视景仿真中运用，实现了虚拟环境下自主水下航行器避障：仿真结果表明，视景仿真能够使仿真系统更加逼真和接近于实际情况，并
ＭｕｔＧｅｅｔｒａｄＶｅａ．ＡｉｕａｉｎｍｅｈｄｏｏｌｓｏｖｉｎｅｓｎａｓｐｒｐｓｄＵｔｉｉｇｃｌｉｉｎｖｃｏｌｉｎＣｒａｏｎｇｓｍｌｔｏｔｏｆｃｌｉｉｎａｏｄａｃｏｒｉｏｏｅ．ｉｚｎｏｌｓｏｅｔｒｌ

欠驱动自主水下航行器的镇定及跟踪

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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自主式水下航行器的回收方法及自主式水下航行器[发明专利]

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

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]。

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欠驱动自主水下航行器移动式回收控制及视
景仿真
在现代科技的不断发展中，水下航行器已经成为海洋探测和海洋资
源开发的重要工具。

然而，传统的水下航行器往往受到驱动方式的限制，无法自主进行移动和回收。

为了解决这一问题，研究人员提出了
欠驱动自主水下航行器移动式回收控制及视景仿真技术。

欠驱动自主水下航行器移动式回收控制技术主要通过布置在航行器
周围的多个推进器来实现。

这些推进器根据控制算法的指令，通过变
化推力的大小和方向来控制航行器的运动。

由于推进器数量有限，航
行器无法在所有方向上实现精确的控制。

因此，欠驱动自主水下航行
器对控制技术的要求较高，需要通过仿真来提前预测和验证控制策略
的有效性。

为了实现欠驱动自主水下航行器的移动式回收控制，研究人员首先
需要建立合适的控制算法。

这些算法需要考虑到航行器的动态特性、
环境参数以及目标移动路径等因素。

通过使用动力学模型和控制理论，研究人员可以设计出适应不同工况和任务的控制策略。

这些策略可以
通过计算机仿真来验证其有效性和稳定性。

视景仿真在欠驱动自主水下航行器移动式回收控制中起着至关重要
的作用。

通过视景仿真技术，研究人员可以在虚拟环境中创建各种场景，模拟水下航行器的运动和环境响应。

这样可以有效地验证控制策
略的可行性，并对其性能进行评估和优化。

此外，视景仿真还可以帮
助研究人员分析航行器与环境的交互，优化推进器布置和控制算法，
提高水下航行器的运动性能和稳定性。

在实际应用中，欠驱动自主水下航行器移动式回收控制技术有着广
泛的应用前景。

例如，在海洋资源开发中，水下航行器可以完成对海
底资源的勘探、采集和监测任务。

在海洋环境监测中，水下航行器可
以携带各种传感器进行水质、海洋生物和海底地形等方面的监测工作。

此外，水下航行器还可以应用于海底考古和海底科学研究等领域。

综上所述，欠驱动自主水下航行器移动式回收控制及视景仿真技术
是一项具有很大潜力的技术。

通过合理设计的控制算法和视景仿真技
术的支持，水下航行器可以在水下环境中自主进行移动和回收，完成
各种海洋勘探和海洋资源开发任务。

这将极大地拓展水下航行器的应
用范围，推动海洋科学和海洋工程的发展。

我们期待着未来更多关于
欠驱动自主水下航行器的创新和突破。