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自主式水下航行器三维路径跟踪的神经网络H∞鲁棒自适应控制方法

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控制理论与应用 2012年第3期29卷 317-322页

作者：葛晖敬忠良高剑上海交通大学航空航天学院西北工业大学航海学院

本文研究了存在模型不确定以及外界未知扰动情况下的自主式水下航行器(AUV)的三维路径跟踪控制问题.针对此问题,首先利用时标分离原理及正交投影Serret-Frenet坐标系建立了描述AUV质心运动及姿态运动的的仿射非线性数学模型.其次,在控... 详细信息

本文研究了存在模型不确定以及外界未知扰动情况下的自主式水下航行器(AUV)的三维路径跟踪控制问题.针对此问题,首先利用时标分离原理及正交投影Serret-Frenet坐标系建立了描述AUV质心运动及姿态运动的的仿射非线性数学模型.其次,在控制器设计中运用神经网络H∞鲁棒自适应算法克服了模型的不确定性及扰动,同时在控制器设计中利用了主导输入的思想,降低了闭环系统的复杂度,减少了实时计算工作量,便于工程应用.基于Lyapunov理论的分析保证了系统的稳定性.仿真结果表明,路径跟踪控制律可以保证AUV沿期望路径运动,并且具有良好的动态性能.

关键词：自主式水下航行器(AUV) 三维路径跟踪 Serret-Frenet坐标系质心回路姿态回路神经网络

基于滤波反步法的欠驱动AUV三维路径跟踪控制

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自动化学报 2015年第3期41卷 631-645页

作者：王宏健陈子印贾鹤鸣李娟陈兴华哈尔滨工程大学自动化学院哈尔滨150001 北京空间机电研究所北京100094 东北林业大学机电工程学院哈尔滨150040

研究了欠驱动自主水下航行器(Autonomous underwater vehicle,AUV)的三维空间路径跟踪控制问题.针对基于虚拟向导建立的三维路径跟踪误差模型,采用滤波反步法设计跟踪控制器,通过二阶滤波过程获得虚拟控制量的导数,避免了直接对虚拟控... 详细信息

研究了欠驱动自主水下航行器(Autonomous underwater vehicle,AUV)的三维空间路径跟踪控制问题.针对基于虚拟向导建立的三维路径跟踪误差模型,采用滤波反步法设计跟踪控制器,通过二阶滤波过程获得虚拟控制量的导数,避免了直接对虚拟控制量解析求导的复杂过程,同时滤除了高频测量噪声,增加了系统对噪声的鲁棒性.通过设计滤波误差补偿回路,保证了滤波信号对虚拟控制量的逼近精度.基于李雅普诺夫稳定性理论设计鲁棒项,保证了闭环跟踪误差系统状态的渐近稳定.仿真结果表明了该控制器对噪声干扰具有一定的鲁棒性,能够实现对三维路径的精确跟踪.

关键词：欠驱动自主水下航行器三维路径跟踪滤波反步法虚拟向导

全驱动型AUV三维路径跟踪控制系统设计及分析

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中国舰船研究 2019年第6期14卷 22-29页

作者：姚金艺曾庆军赵强朱志宇戴文文江苏科技大学电子信息学院

[目的]为满足全驱动型自主式水下机器人(AUV)水下搜救、回收及海底地貌成像等实际任务需求,研究全驱动型AUV三维路径跟踪控制应用的方法。[方法]阐述自主研发的“探海I型”全驱动型AUV系统组成,研究并建立该AUV推进器、水平面和垂直面... 详细信息

[目的]为满足全驱动型自主式水下机器人(AUV)水下搜救、回收及海底地貌成像等实际任务需求,研究全驱动型AUV三维路径跟踪控制应用的方法。[方法]阐述自主研发的“探海I型”全驱动型AUV系统组成,研究并建立该AUV推进器、水平面和垂直面控制的数学模型,设计一种新颖的智能积分S面三维路径跟踪控制器,分析设计的控制系统的稳定性,并通过仿真及湖上试验进行验证。[结果]结果表明所开发的AUV运行可靠,设计的控制器能较好地完成三维路径跟踪任务,可满足水下实际任务的需求,[结论]其三维路径跟踪控制器对全驱动型AUV及其他领域的路径跟踪控制应用具有借鉴意义。

关键词：自主式水下机器人控制系统三维路径跟踪 S面控制器

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水下机器人三维路径跟踪方法研究

水下机器人三维路径跟踪方法研究

作者：张宸鸣哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

路径跟踪是自主式水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle,简称AUV）实现自主回收、海底地形测绘、水下巡航、目标动态打击等作业任务的关键技术,应用十分广泛。为了解决水下机器人路径跟踪控制问题,本文开展了对AUV数学模型、三维... 详细信息

路径跟踪是自主式水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle,简称AUV）实现自主回收、海底地形测绘、水下巡航、目标动态打击等作业任务的关键技术,应用十分广泛。为了解决水下机器人路径跟踪控制问题,本文开展了对AUV数学模型、三维路径跟踪引导方法、反步滑模控制器设计方法、基于深度强化学习的控制器设计及改进方法、水下机器人视景仿真方法的研究。首先,建立路径跟踪相关坐标系和运动模型,包括惯性坐标系、随体坐标系和Serret-Frenet曲线坐标系,根据AUV的体系结构特征,建立了运动学模型、动力学模型和路径跟踪误差模型。通过水平面上和垂直面上的操纵性仿真实验,验证了模型的操纵性能。其次,采用设置在跟踪路径上的虚拟AUV对路径跟踪进行引导,基于视线法、反步滑模和李雅普诺夫稳定性原理设计了三维路径跟踪反步滑模控制控制器。同时在控制回路中加入低通滤波器来抑制滑模控制中易产生的抖振;控制率中存在对多个量的多次求导,为了避免微分爆炸问题,使用二阶滤波器来逼近理想虚拟控制量。通过得到的角速度控制率和设定的期望速度控制AUV的三维路径跟踪,最终进行了仿真实验,验证了本文中路径跟踪控制器的效果和性能。再次,为了增强路径跟踪控制器的适用范围和兼容性,简化控制器设计流程,使用深度强化学习方法设计控制器。对比了几种较新型的深度强化学习算法,如Deep Q Network（DQN）、Actor-Critic 和 Deep Deterministic Policy Gradient（DDPG）,分析了各算法的参数更新流程的特征和优劣,选用DDPG算法设计和训练了三维路径跟踪控制器。在Python中搭建了训练环境,建立了仿真循环。并通过对训练和仿真实验结果的分析,对控制器的设计进行了优化,更新了奖励函数,在控制回路中添加了海流干扰观测器。通过重新训练和仿真实验验证了改进的有效性。最后,研究了水下路径跟踪视景仿真系统的搭建方法,使用Creator进行了 AUV等场景实例建模,基于MFC/Vega Prime建立了视景仿真系统,研究了仿真场景交互方法和特效配置方法。通过比较选用了直接自文件读取运动仿真数据的方法,并在视景仿真中实时显示,为AUV模型添加了 DOF节点,实现了对AUV舵叶的实时操控。最终进行了 AUV三维路径跟踪的视景仿真实验,验证了路径跟踪效果。

关键词：水下机器人三维路径跟踪反步滑模控制深度强化学习视景仿真

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基于动态积分滑模的AUV三维路径跟踪控制

基于动态积分滑模的AUV三维路径跟踪控制

作者：余荣臻广东海洋大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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M200”AUV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。

关键词： AUV 三维路径规划三维路径跟踪动态积分滑模控制

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欠驱动自主水下机器人三维路径跟踪控制

欠驱动自主水下机器人三维路径跟踪控制

第三十届中国控制会议

作者：田宇张艾群李伟中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室中国科学院研究生院

针对欠驱动自主水下机器人（AUV）三维路径跟踪,提出采用AUV广泛应用的PID运动控制器作为路径跟踪控制器,研究三维路径跟踪制导函数设计.采用Serret-Frenet坐标系描述路径跟踪误差,研究了三维路径跟踪制导函数设计;在此基础上,基于解析... 详细信息

针对欠驱动自主水下机器人（AUV）三维路径跟踪,提出采用AUV广泛应用的PID运动控制器作为路径跟踪控制器,研究三维路径跟踪制导函数设计.采用Serret-Frenet坐标系描述路径跟踪误差,研究了三维路径跟踪制导函数设计;在此基础上,基于解析形式描述的单输入模糊控制器,提出了一种改进的制导函数并研究了其设计方法,以提高AUV基于线性PID控制器的路径跟踪控制系统的性能.最后利用欠驱动AUV六自由度非线性动力学模型进行仿真研究,结果表明利用AUV已有的PID运动控制器和提出的改进的三维路径跟踪制导函数,AUV可以获得很好的路径跟踪性能.

关键词：欠驱动自主水下机器人三维路径跟踪制导函数模糊控制

来源： cnki会议评论

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水产养殖机器鱼设计与三维路径跟踪控制

华中农业大学学报 2022年第4期41卷 259-270页

作者：王懿偲夏英凯朱明曾鑫齐湘洪华中农业大学工学院/农业农村部长江中下游农业装备重点实验室/农业农村部水产养殖设施工程重点实验室武汉430070

为方便监测水质与水下鱼群活动,本研究设计了一款面向全水域实时监测的水产养殖机器鱼,并搭建了机器鱼控制系统,开展了机器鱼三维路径跟踪控制研究。在Serret-Frenet坐标系下建立了机器鱼三维空间路径跟踪误差模型,并基于LOS制导律和李... 详细信息

为方便监测水质与水下鱼群活动,本研究设计了一款面向全水域实时监测的水产养殖机器鱼,并搭建了机器鱼控制系统,开展了机器鱼三维路径跟踪控制研究。在Serret-Frenet坐标系下建立了机器鱼三维空间路径跟踪误差模型,并基于LOS制导律和李雅普诺夫理论设计了一种模糊滑模控制器,最后利用Matlab仿真对本研究提出的控制算法的有效性进行验证。仿真结果表明:所设计的控制器能使机器鱼在模型参数不确定性、外部干扰未知的情况下实现三维路径跟踪控制,其控制精度和鲁棒性明显优于常规PID与滑模控制器。

关键词：仿生机器鱼三维路径跟踪模糊滑模控制运动控制 AUV 智能养殖装备水下机器人

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欠驱动AUV三维路径跟踪RBF神经网络积分滑模控制

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水下无人系统学报 2020年第2期28卷 131-138页

作者：霍宇彤郭晨于浩淼大连海事大学船舶电气工程学院辽宁大连116026

针对欠驱动自主水下航行器(AUV)在未知参数摄动上界约束下三维路径跟踪问题,为了抑制外界扰动和滑模控制产生的抖振,提出了一种基于径向基函数(RBF)神经网络积分滑模的空间路径跟踪控制器。通过引入Serret-Frenet局部坐标系和视线法(LOS... 详细信息

针对欠驱动自主水下航行器(AUV)在未知参数摄动上界约束下三维路径跟踪问题,为了抑制外界扰动和滑模控制产生的抖振,提出了一种基于径向基函数(RBF)神经网络积分滑模的空间路径跟踪控制器。通过引入Serret-Frenet局部坐标系和视线法(LOS)制导律,将路径跟踪的位置误差镇定转换为视线角误差的镇定。在此基础上,基于Lyapunov直接法设计运动学虚拟控制律,用以镇定视线角误差。并通过引入RBF神经网络和积分滑模面,设计动力学路径跟踪控制器。Lyapunov稳定性理论证明了所设计的路径跟踪控制器的稳定性。仿真对比结果表明,该路径跟踪控制器在不失快速性的前提下能够有效跟踪三维直线路径,提高了控制精度,且抑制了抖振,对外界扰动具有一定的鲁棒性。

关键词：欠驱动自主水下航行器三维路径跟踪积分滑模径向基函数神经网络

面向海底管道巡检的AUV三维自适应路径跟踪

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船舶工程 2024年第4期46卷 166-174页

作者：王浩亮任恩帅卢丽宇刘陆古楠彭周华大连海事大学轮机工程学院辽宁大连116026 大连海事大学船舶电气工程学院辽宁大连116026 上海交通大学电子信息与电气工程学院上海200240 大连市智能船艇集群控制与电气技术重点实验室辽宁大连116026 水路交通控制全国重点实验室辽宁大连116026

针对面向海底管道巡检任务的欠驱动自主水下航行器(AUV)三维路径跟踪控制问题进行研究。首先,在固定坐标系和机体坐标系下建立AUV的运动学模型,为设计适宜运动控制的三维路径跟踪控制器,建立流体坐标系,并在Serret-Frenet坐标系下建立AU... 详细信息

针对面向海底管道巡检任务的欠驱动自主水下航行器(AUV)三维路径跟踪控制问题进行研究。首先,在固定坐标系和机体坐标系下建立AUV的运动学模型,为设计适宜运动控制的三维路径跟踪控制器,建立流体坐标系,并在Serret-Frenet坐标系下建立AUV的路径跟踪误差模型;其次,将可变前视距离引入传统视线(LOS)制导策略,提出一种自适应LOS制导策略以提高制导精度,并基于此设计面向海底管道巡检的AUV三维路径跟踪控制器,使得AUV可有效跟踪设定的参数化路径;最后,基于李雅普诺夫稳定性理论证明了闭环系统的稳定性。仿真结果验证了所提面向海底管道巡检的三维路径跟踪控制器的有效性。研究成果能够改善AUV的操纵性,可为面向海底管道巡检的无人水下航行器路径跟踪控制方法提供参考。

关键词：海底管道巡检自主水下航行器三维路径跟踪视距制导策略自适应控制