基于动态积分滑模的AUV三维路径跟踪控制

作     者：余荣臻 

作者单位：广东海洋大学 

学位级别：硕士

导师姓名：袁剑平

授予年度：2023年

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 08[工学] 082003[工学-油气储运工程] 

主      题：AUV 三维路径规划 三维路径跟踪 动态积分滑模控制 

摘      要：海底油气管线的水下巡检必须能自主识别管线并具备沿管线自主航行的能力,是获取全方位、长时序、高密度海底油气管线数据信息的关键方式,也是海洋油气开发与运营安全的重要保障。自主水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)具有工作效率高,能够在复杂海洋环境下完成长周期、大范围的巡查任务等特点,其在复杂环境下智能自主是未来重要研究方向之一。管线跟踪控制又是AUV顺利的完成海底管线的巡检作业的关键技术。本文针对跟踪控制涉及的海洋环境随机时变、高效避障和快速跟踪等问题,利用AUV的非线性控制系统理论、视线法(Line of Sight,LOS)和滑模法等理论工具,基于三维路径规划研究了AUV的三维路径跟踪控制问题。 首先,针对“精灵M200AUV对象,利用坐标转换、刚体运动学和动力学以及操纵性理论,建立了AUV的6自由度运动学和动力学数学模型,并考虑了海流干扰的影响,为研究AUV的三维路径跟踪控制问题奠定了基础。 其次,以三维栅格法建立AUV的海洋环境模型,为了实现AUV海洋环境的避障和路径优化,将蝗虫优化算法(Grasshopper Optimization Algorithm,GOA)应用到三维路径规划中,该方法能够在海洋障碍物环境中从起始点到目标点规划出满足高效避障和收敛速度快的最优路径,从而能够改善路径跟踪的效果和降低能耗。仿真结果表明,GOA算法具有良好的全局搜索能力,收敛速度更快,最终得到的路径更优。该算法能有效降低AUV的航行能耗,规划出满足AUV实际机动性能的路径。 最后,为了便于控制器的设计,对AUV的数学模型做了进一步的简化处理,将其在空间中的运动分解为水平面运动和垂直面运动,将AUV的位置误差控制转化为艏向角误差和纵倾角误差控制,建立了AUV的简化运动模型。接着,基于三维路径规划问题生成的路径点,研究了AUV三维路径跟踪问题。提出了一种结合三维积分视线(Integral Line of Sight,ILOS)制导律和动态积分滑模控制器的两层框架,以实现AUV沿着预定路径的鲁棒跟踪。第一层设计了AUV的三维ILOS制导律,以保证运动学阶段路径跟踪的稳定性;第二层在动力学阶段,针对非线性环境扰动,提出了一种基于李雅普诺夫(Lyapunov)稳定性理论和ILOS制导律的动态积分滑模控制方法。此外,有别与传统的滑模控制器,该方法能够消除稳态误差,解决滑模法的“抖振问题。仿真结果表明,该控制器具有良好的稳态和瞬态跟踪性能、鲁棒性,并且无效操舵少,具有一定的经济性。 研究结果表明所提出的控制策略既能提高三维路径跟踪质量,又对海流干扰具有鲁棒性,极大提高了AUV航行效率、安全性和稳定性。