欠驱动非线性控制方法综述

漂角修正的欠驱动船舶航向鲁棒自适应控制

漂角修正的欠驱动船舶航向鲁棒自适应控制是一种针对船舶的航向控制方法，旨在提高船舶的导航性能和航行稳定性。漂角是指船舶横向偏离艏向的角度，而欠驱动是指船舶在水面上向前运动时无需使用推进器产生的推力。

在传统的船舶航向控制方法中，通常采用PID控制器来控制舵角来修正船舶的航向偏差。由于船舶的非线性和时变性质，传统的PID控制器往往难以满足船舶航向控制性能的需求。

漂角修正的欠驱动船舶航向鲁棒自适应控制方法引入了鲁棒自适应控制理论，能够有效地改善船舶的航向控制性能。该控制方法利用传感器测量的漂角信息来修正船舶的航向偏差，通过调整舵角来实现船舶的航向控制。

具体而言，该方法首先建立了船舶的数学模型，包括船舶的动力学和航向动力学特性。然后，利用鲁棒自适应控制理论设计出了航向控制器，该控制器能够根据船舶模型和漂角信息来实时调整船舶的舵角，从而实现船舶的航向控制。

该方法的优点是能够实时修正船舶的航向偏差，提高船舶的导航性能和航行稳定性。由于采用了鲁棒自适应控制理论，该方法对船舶的非线性和时变性质具有较好的鲁棒性，能够适应不同工况和环境变化。

该方法也存在一些挑战和局限性。船舶模型的准确性对控制性能有较大影响，需要进行良好的模型辨识和参数调整。漂角的测量也可能受到船舶运动和环境干扰等因素的影响，需要进行合理的传感器选择和滤波处理。

漂角修正的欠驱动船舶航向鲁棒自适应控制方法在提高船舶航向控制性能方面具有潜在的应用前景。通过合理设计船舶控制策略和参数调整方法，可以进一步提高船舶的导航性能和航行稳定性，应用于实际船舶导航系统中。

自主船非线性路径跟踪控制

施淑伟;严卫生;高剑;王迪

【期刊名称】《火力与指挥控制》

【年(卷),期】2011(036)001

【摘要】针对非线性欠驱动自主船(Autonomous Surface Vehicle,ASV),提出了一种非线性路径跟踪控制方法.采用以自由参考点为原点的Serret-Frenet坐标系摧述路径跟踪误差及其动态模型,并选用非时间量为参考变量,摆脱了时间因素的影响;综合应用Lyapunov理论与Back stepping方法设计了欠驱动自主船的路径跟踪控制律,保证了路径跟踪误差的全局渐近稳定.最后,仿真研究结果验证了该方法的有效性.

【总页数】4页(P53-55,59)

【作者】施淑伟;严卫生;高剑;王迪

【作者单位】西北工业大学航海学院,西安,710072;西北工业大学航海学院,西安,710072;西北工业大学航海学院,西安,710072;西北工业大学航海学院,西安,710072

【正文语种】中文

【中图分类】TP242.3

【相关文献】

1.多自主船协同路径跟踪的自适应动态面控制 [J], 王昊;王丹;彭周华;孙刚

2.基于速变LOS的无人船反步自适应路径跟踪控制 [J], 余亚磊;苏荣彬;冯旭;郭晨 3.基于非线性模型预测控制的智能车路径跟踪算法 [J], 吴飞龙; 郭世永

4.非完整移动机器人路径跟踪的快速非线性模型预测控制方法 [J], 占红武;厉晟;胥芳

5.带非线性观测器的船舶路径跟踪预测控制 [J], 李宗宣;卜仁祥;于镓铭

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欠驱动水面船舶的曲线航迹跟踪控制

第３２卷第１０期　

２０１１年１０月　哈尔滨工程大学学报　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈａｒｂｉｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｖ０１．３２№．１０　

０ｃｔ．２０１１　

ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６—７０４３．２０１１．１０．０１０　

欠驱动水面船舶的曲线航迹跟踪控制　

曾薄文，朱齐丹于瑞亭　

（哈尔滨工程大学自动化学院，黑龙江哈尔滨１５０００１）　

摘要：针对欠驱动水面船舶的航迹跟踪控制面临着本质非线性、强耦合和无法线性化处理的控制等问题，首先通过对　

欠驱动水面船舶航迹控制系统的非线性模型．进行全局微分同胚和反馈变换，构造了由２个级联的子系统构成的航迹　

跟踪误差系统，然后基于反步法的设计原理，运用Ｌｙａｐｕｎｏｖ直接方法对变换后的误差系统设计了航迹跟踪控制律，该　

控制律可以实现一定条件下欠驱动水面船舶的曲线航迹跟踪．仿真结果验证了该控制律的有效性．　

关键词：欠驱动水面船舶；跟踪控制；反步法；微分同胚　

中图分类号：ＴＰ３９１．９文献标识码：Ａ文章编号：１００６－７０４３（２０１１）１０－１３１７－０６　

Ｃｕｒｖｅ　ｔｒａｃｋｉｎｇ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ａｎ　ｕｎｄｅｒａｃｔｕａｔｅｄ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｖｅｓｓｅｌ　

ＺＥＮＧ　Ｂｏｗｅｎ，ＺＨＵ　Ｑｉｄａｎ，ＹＵ　Ｒｕｉｔｉｎｇ　

（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｈａｒｂｉｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５０００１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｒａｃｋｉｎｇ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｕｎｄｅｒａｃｔｕａｔｅｄ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｖｅｓｓｅｌｓ　ｉｓ　ａ　ｃｈａｌｌｅｎｇｉｎｇ　ｐｒｏｂｌｅｍ，ｐｒｏｖｉｎｇ　ｔｏ　ｂｅ　ｉｎｈｅｒｅｎｔｌｙ　ｎｏｎ－　

ｌｉｎｅａｒ　ｗｉｔｈ　ｓｔｒｏｎｇ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｎｏｔ　ａｍｅｎａｂｌｅ　ｔｏ　ｌｉｎｅａｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｈｅｏｒｙ．Ｆｏｒ　ａ　ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ａ　ｔｒａｃｋｉｎｇ　ｃｏｎｔｒｏｌ　

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。滑模控制由于具有变结构的特点，在应对模型参数不确定、参数时变、未建模动态以及外界有界扰动等方面均具有良好的鲁棒性[8−10]。船舶在实际航海过程中会受到风浪流扰动且运动参数会随装载情况而变化，以上状况对航海带来的不利影响，滑模控制均能有效地解决。FANG等[11]研究了船舶在随机海浪下利用不同的滑模控制器进行航迹跟踪及减横摇。刘雨等[12]针对船舶舵机非线性和船舶参数不确定情况下的航向控制，基于参数自适应的原理，提出了一种反步滑模控制器。OH等[13]利用LOS路径生成器，对欠驱动的路径跟踪进行了模型预测控制，但文中设计的多点线段引导律不能完成对曲线路径的跟踪。为此，本文作者结合已有研究成果，以LOS导航为基础进行航向设计，对曲线路径进行跟踪，然后利用滑模控实现艏向角的误差收敛，同时完成对欠驱动部分的镇定。通过合理设计滑模切换面，解决船舶运动参数不确定以及外界随机海浪干扰等问题。为消除高频扰动的不利影响，降低控制输入在平衡点附近的幅值，在反馈控制中加入低通滤波器，使船舶速度项光滑、稳定。

欠驱动无人船的运动控制设计

第38卷第4期Vol郾38摇No郾4重庆工商大学学报(自然科学版)JChongqingTechnol&BusinessUniv(NatSciEd)2021年8月Aug郾2021

doi:10郾16055/j郾issn郾1672-058X郾2021郾0004郾004

欠驱动无人船的运动控制设计*

李欧雪,周宇生**

(贵州大学数学与统计学院,贵阳550025

摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇

摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇)

摇摇收稿日期:2020-07-15;修回日期:2020-09-03.摇*基金项目:国家自然科学基金资助项目(11802065);贵州省科技计划项目(也2018页1047)和黔科合人才项目(也2018页5781).

作者简介:李欧雪(1994—),女,四川眉山人,硕士,从事控制理论研究.**通讯作者:周宇生(1984—),男,江西吉水人,副教授,博士,从事机器人运动控制研究.Email:yszhou@.摘摇要:针对欠驱动无人船在受到非完整约束和模型不精确时对精确轨迹跟踪控制设计困难,提出了曲

率跟踪和逆动力学自适应控制设计方法;首先建立欠驱动无人船水平面的运动学和动力学模型,充分利用其

非完整约束下的运动规律基础上引入目标轨迹曲线的相对曲率设计动态跟踪目标,从而将原问题转化为一

个简单轨迹跟踪控制问题;然后基于滑模控制和逆动力学自适应控制设计力矩控制实现给定的运动任务;仿

真结果表明,方法不但可以使欠驱动无人船精确地沿着给定目标轨迹运动,并且具有很强的鲁棒性;由于方

法本质上跟踪的是目标轨迹的相对曲率,可以从根本上解决了欠驱动无人船的轨迹跟踪精确性问题,这为一

般的欠驱动非完整机械结构的精确运动控制设计提供了一种新的思路。关键词:逆动力学自适应控制;滑模控制;轨迹跟踪控制;动态跟踪目标

中图分类号:TP13摇摇摇文献标志码:A摇摇摇文章编号:1672-058X(2021)04-0023-07

一种欠驱动航行器的鲁棒控制器的设计方法

本发明设计了一种用于三自由度欠驱动航行器的鲁棒跟踪控制器。考虑到欠驱

动无法实现渐近稳定的特性，采取了令误差趋于极小值的方法，解决了

Lyapunov函数的选择。采用backstepping方法以及函数映射技术设计了的鲁

棒控制器，该控制器在航行器存在环境扰动的情况下，可以任意初始状态出发

(包括转艏的初始速度为零)，自动地跟踪任意光滑的轨迹，并实现了较好的自

适应跟踪效果。

【专利说明】一种欠驱动航行器的鲁棒控制器的设计方法

【技术领域】

[0001]本发明属于机器人控制控制【技术领域】，涉及一种欠驱动航行器的鲁

棒轨迹跟踪控制器的设计方法。

【背景技术】

[0002]欠驱动系统指独立变量个数少于系统自由度个数的非线性系统，它需要

通过较少的驱动器完成复杂的运动控制任务；多数情况下欠驱动机械系统为非

完整约束系统，同时又表现出一般光滑状态反馈控制无法镇定的性质。因此，

欠驱动系统的控制与跟踪的理论引起了越来越多的非线性研究者的兴趣。

[0003]在实际应用方面，欠驱动系统由于驱动器的减少，具有重量轻、成本低、

能耗少、维修方便等众多优点；另一方面，在控制器故障等场合，全驱动系统

会变为欠驱动系统，欠驱动系统容错能力也引起了众多关注。近年来，欠驱动

系统成为很多研究领域(如航空航天、船舶、车辆、机器人等)的新热点。

[0004]然而，在实际应用中，对于机器人系统来说，由于其工作环境千变万化，

在实际控制中将面临更多的不确定性因素，因而其运动控制要求有较强的扰动抑制能力；具有高度鲁棒性的控制方法是解决该类问题的有效途径之一。

[0005]因此，设计一种合理的用于欠驱动系统的鲁棒控制器，具有重要的应用

价值。

【发明内容】

[0006]本发明所要解决的技术问题是设计一种用于欠驱动航行器轨迹跟踪的

鲁棒控制器，可使航行器在任意初始状态，存在环境扰动的情况下，实现良好

的跟踪效果。

漂角修正的欠驱动船舶航向鲁棒自适应控制 2

漂角修正的欠驱动船舶航向鲁棒自适应控制

漂角修正的欠驱动船舶航向鲁棒自适应控制是一种应用于船舶控制系统的方法，旨在实现船舶航向的精确控制。漂角是指船舶的艏向与航向之间的偏差，是船舶控制中重要的参数之一。在航行过程中，船舶可能受到各种扰动，如风浪、潮流等因素的影响，从而导致漂角产生。如果漂角得不到及时有效的修正，将会影响船舶的航向稳定性和操纵性能。

传统的船舶舵机控制方法通常采用PID等经典控制算法，可以在一定程度上实现漂角修正和航向控制。由于船舶的动态特性和非线性特点，传统控制方法的鲁棒性和自适应性较差。尤其是在面临外部扰动变化频繁，并且未知或不确定的情况下，传统方法往往难以满足航向控制的要求。

漂角修正的欠驱动船舶航向鲁棒自适应控制方法则采用了先进的控制理论和技术，通过建立船舶动力学模型，通过数学推导和模型辨识，得到系统的数学模型和参数。利用模型参考自适应控制算法，实现对船舶航向的精确控制和漂角的自适应修正。

1. 漂角修正算法：通过运用模型参考自适应控制算法，利用船舶动力学模型和漂角反馈信息，实时修正船舶漂角，保持航向的稳定性和准确性。

2. 鲁棒控制算法：将鲁棒控制理论应用于船舶航向控制中，可以有效抵御环境扰动和模型参数不确定性，提高控制系统的稳定性和鲁棒性。

3. 自适应性能调节算法：利用自适应性能调节算法，对船舶控制系统进行参数估计和实时修正，使控制系统具有良好的自适应性能，能够适应不同工况和环境。

漂角修正的欠驱动船舶航向鲁棒自适应控制方法在实际船舶控制系统中具有重要的应用前景。通过采用先进的控制策略和算法，可以更好地抵御外界扰动和系统参数的不确定性，实现船舶航向的精确控制和漂角的自适应修正。这将有助于提高船舶的航行安全性和自动化程度，提高船舶的操纵性能和节能效果，具有重要的研究和实际应用价值。

欠驱动机器臂系统研究综述

机械臂中的被动关节不能输出力和力矩，系统力和力矩的输入主要是靠机械臂中的主动关节。从欠驱动系统的含义入手，综述了国内外有关欠驱动机器臂系统的研究理论，以期从中找到此领域的研究趋势。

标签：欠驱动机械臂系统；机器人；研究综述

1 欠驱动机械系统含义

欠驱动机械系统按照其控制方程中有没有漂移项分为带漂移项的欠驱动机械系统和不带漂移项的欠驱动机械系统。欠驱动机械臂系统可根据是否受势能(如重力、弹力等)影响分为两类：受势能影响的欠驱动机械臂系统和不受势能影响的欠驱动机械臂系统。受势能影响的欠驱动机械臂系统包括Acrobot机器人、Pendubot机器人、倒立摆系统等。不受重力影响的欠驱动机械臂系统包括平面欠驱动机械臂系统，欠驱动H－Drive系统等。这些欠驱动机械臂系统的被动关节都是在水平面内运行，进而使重力对其运动过程影响最小。

欠驱动机械臂系统是一种高度非线性系统，并且在控制过程中不可避免的带有漂移项。与一阶非完整系统相比，对欠驱动机械臂控制的困难之一便是对控制方程中的漂移项进行控制。

目前有关此方面的研究文献已有一些，但有价值的一般性结果还很少见。此类系统的控制仍是一个尚未得到解决的问题，成为机器人研究领域的新热点。欠驱动机械系统涉及对象较多，范围很广，接下来就具有代表性的工作分国外和国内研究进行简单介绍。

2 国外关于欠驱动机械系统的研究综述

近些年来，在欠驱动机器人的控制方面已取得一些进展。国外对这方面的研究比较多。

G-oriolo等推导了欠驱动机器系统的加速度约束条件在一定条件下能分别转变为二阶非完整约束、一阶非完整和完整约束条件，并研究了欠驱动系统的可控性，提出了将系统稳定于平衡流彤的方法DeLuca指出欠驱动系统一般具有以下三类控制问题：(1)路径规划一给定初始位姿和期望位姿，计算一条动态可行的路径；(2)路径跟踪一给定动态可行路径，计算反馈控制律使跟踪误差渐近趋于零；(3)设定点调节一给定期望位姿(平衡状态)，计算反馈控制规律使其渐近稳定。如果没有可行的路径，研究路径跟踪和设定点调节就失去意义。同时，虽然路径存在但不一定能够计算得到，但可以通过设定点调节控制得到一条渐近稳定的路径。

欠驱动水面船舶的非线性滑模轨迹跟踪控制

第３３卷第５期　２０１２年５月　哈尔滨工　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈａｒｂｉｎ　程大学学报　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｖｏｌ＿３３　Ｎｏ．５　Ｍａｙ　２０１２　

欠驱动水面船舶的非线性滑模轨迹跟踪控制　

孟威　，郭晨　，孙富春　，刘杨　

（１．大连海事大学信息科学技术学院，辽宁大连１１６０２６；２．清华大学智能技术与系统国家重点实验室，北京１０００８４；　３．大连交通大学电气学院，辽宁大连１１６０２８）　

摘要：针对模型参数存在不确定性和风、浪、流时变干扰的三自由度欠驱动水面船舶动态轨迹跟踪控制问题，根据滑模　

控制对系统的不确定性和外界干扰具有鲁棒性的特点，提出了一种新型的非线性滑模控制律设计方法．在设计时根据欠　驱动水面船舶的固有特性，船舶在横向上没有驱动，如果要同时控制船舶水平面位置和艏摇角３个自由度的运动，就需　

要分别引入关于纵向跟踪误差的一阶滑动平面和关于横向跟踪误差的二阶滑动平面来间接设计控制律．仿真结果表明，　所设计的控制器能够使船舶跟踪虚拟船产生的参考轨迹，对参数不确定和外界扰动具有强的鲁棒性．　

关键词：欠驱动水面船舶；参数不确定性；非线性积分；滑模控制；轨迹跟踪　

ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６－７０４３．２０１１０９０５５　

网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／２３．１３９０．Ｕ．２０１２０４１２　１６２３．０１０．ｈｔｍｌ　

中图分类号：ＴＰ２７３文献标志码：Ａ文章编号：１００６—７０４３（２０１２）０５－０５８５－０５　

Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ｓｌｉｄｉｎｇ　ｍｏｄｅ　ｔｒａｃｋｉｎｇ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｕｎｄｅｒａｔｕａｔｅｄ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｖｅｓｓｅｌｓ　

ＭＥＮＧ　Ｗｅｉ　，ＧＵＯ　Ｃｈｅｎ　，ＳＵＮ　Ｆｕｃｈｕｎ　，ＬＩＵ　Ｙａｎｇ　

（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄａｌｉａｎ　Ｍａｒｉｔｉｍｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｄａｌｉａｎ　１　１６０２６，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｉｎ－　

欠驱动VTOL空间飞行器系统的非线性跟踪控制

研究了欠驱动VTOL(垂直上升和垂直着陆)空间飞行器在各种输入耦合时的非线性跟踪控制问题.VTOL空间飞行器是具有三个自由度,两个控制输入的欠驱动系统.首先,通过控制输入和坐标变换,系统的动力学方程被变换成二阶链式形式.其次,利用后推法(backstepping)的思想推导出保证系统渐近收敛于给定轨迹的时变反馈控制规律.该方法将系统分解为低阶子系统来处理,利用中间虚拟控制变量和部分Lyapunov函数简化了控制器的设计.仿真结果证明了所设计控制器的有效性.

作者：刘盛平陆震吴立成 LIU Sheng-ping LU Zhen WU Li-cheng 作者单位：刘盛平,陆震,LIU Sheng-ping,LU Zhen(北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院,北京,100083)

吴立成,WU Li-cheng(清华大学计算机科学与技术系,北京,100084)

刊名：系统仿真学报 ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF

SYSTEM SIMULATION 年，卷(期)：2006 18(z2) 分类号：V2 TP3 关键词：欠驱动 VTOL空间飞行器后推法轨迹跟踪