自主式無人水下航行器航向自適應(yīng)滑模控制

趙賀偉，宋召青，于華國

(1.海軍航空工程學(xué)院，山東 煙臺 264001;2.中國人民解放軍92154部隊，山東 煙臺 264001）

自主式無人水下航行器航向自適應(yīng)滑?？刂?/p>

趙賀偉1，宋召青1，于華國2

(1.海軍航空工程學(xué)院，山東 煙臺 264001;2.中國人民解放軍92154部隊，山東 煙臺 264001）

無人水下航行器是未來水下戰(zhàn)場的重要武器裝備，對其運動控制的研究得到廣泛關(guān)注，其中航向控制的實現(xiàn)是研究的熱點問題。對無人水下航行器六自由度動力學(xué)方程進行簡化，得到橫向運動動力學(xué)方程，并將偏航角作為控制對象，采用滑?？刂频姆椒▽崿F(xiàn)對航向角的跟蹤控制，并引入自適應(yīng)機制在線估計未知參數(shù)，減小參數(shù)不確定性對穩(wěn)定性的影響。通過對控制算法的仿真，結(jié)果表明了控制器設(shè)計的正確性。

無人水下航行器;自適應(yīng);滑模;仿真

0 引言

無人水下航行器［1］(Unmanned Underwater Vehicle，UUV）作為未來水下信息戰(zhàn)、反潛掃雷、搜索探測和水下攻擊作戰(zhàn)平臺，在未來水下戰(zhàn)場中將起到至關(guān)重要的作用，因此越來越受到各國的廣泛關(guān)注，并有很多國家開展了研究工作。在多項研究熱點中，航行器的航向控制是其中較為重要的內(nèi)容，航向控制對于航行器執(zhí)行各種任務(wù)起著決定性作用，然而自主式無人水下航行器的數(shù)學(xué)模型是一種非線性高度強耦合模型，并且模型中存在未建模動態(tài)，探索有效的控制策略一直是眾多學(xué)者研究的目標(biāo)。本文采用滑?？刂苼砀櫩刂坪较蚪牵⑶医Y(jié)合自適應(yīng)方法來在線估計未知參數(shù)，令UUV的航向控制達(dá)到較好效果。

1 UUV的數(shù)學(xué)模型

采用Fossen研究成果［2］中的六自由度的非線性動態(tài)模型，2個坐標(biāo)系為慣性坐標(biāo)系o-xoyozo和體坐標(biāo)系b-xbybzb，假設(shè)如下:

1）UUV為深潛航行器，可以忽略海浪的影響;

2）UUV是左右舷對稱的細(xì)長形狀;

3）UUV的重心位于浮心正下方。

UUV 的運動方程［3］如下:

2 UUV航向的自適應(yīng)滑模控制

通常情況下，將UUV的動態(tài)模型解耦為縱向運動模型和橫向運動模型，縱向運動變量包括u，w，q，n，d，θ，橫向運動變量包括 v，p，r，e，φ，ψ 。

2.1 橫向運動模型

其中Ω'為未建模動態(tài)項，通過滑?？刂苼韺崿F(xiàn)存在未建模動態(tài)情況下航向角的跟蹤控制，并引入自適應(yīng)機制來在線估計未知參數(shù)，提高滑?？刂频男阅堋Ｍㄟ^控制垂直舵 δr來實現(xiàn)對航向的控制［6］。

2.2 控制律設(shè)計

3 航向角控制仿真

圖1 控制輸入 (垂直舵角）曲線Fig.1 Control input(vertical rudder angle）curve

圖2 航向角跟蹤曲線Fig.2 The heading angle tracking curve

結(jié)果分析:對航向角的跟蹤控制，針對外界干擾，采用了滑?？刂品椒?，利用其對外界干擾的不變性優(yōu)點，在提高控制精度的同時需要較高的控制輸入量，因此引入自適應(yīng)機制，在線估計不確定參數(shù)，降低參數(shù)不確定性對滑?？刂频南拗?，提高滑模控制的性能。通過航向角跟蹤曲線，說明了控制律和自適應(yīng)律設(shè)計的正確性。

4 結(jié)語

目前，自主式無人水下航行器的運動控制研究得到廣泛關(guān)注，而其航向的有效控制是其中重要的環(huán)節(jié)。由于水下航行器的動力學(xué)模型為強耦合非線性，模型中的參數(shù)變化不確定且存在未建模動態(tài)特性，而且其控制研究需要考慮海流因素的影響。對于航向控制的實現(xiàn)，采用滑模控制并引入自適應(yīng)機制在線估計不確定參數(shù)的方法能夠得到理想的效果。對設(shè)計的控制算法進行仿真，可以看出偏航角的跟蹤效果比較理想，能夠滿足無人水下航行器在執(zhí)行各項任務(wù)時對航向控制的要求。

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Adaptive sliding mode control for course of autonomous unmanned underwater vehicle

ZHAO He-wei1，SONG Zhao-qing1，YU Hua-guo2
(1.Naval Aeronautical and Astronautical University，Yantai264001，China;2.No.92154 Unit of PLA，Yantai264001，China）

Unmanned Underwater Vehicle is important weaponry in underwater battlefield of future.Studying of motion control for UUV has been concerned.Achieving course control is the hot spot.Simplifying six degrees of freedom equations ofmotion of UUV，lateralmovement equations can be gained.Slidingmodel controlling is used for controlling heading angle and through that the adaptivemechanism work for estimating unknown parameter online，impact on stability is declined.The results of simulation clarify that the design of controller is right.

unmanned underwater vehicle;adaptive;slidemode;simulation

TG156

A

1672－7649(2014）05－0106－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.05.022

2013－05－08;

2013－08－14

海軍航空工程學(xué)院碩士研究生創(chuàng)新基金資助項目(20135584010）

趙賀偉(1985－），男，碩士研究生，助理工程師，研究方向為智能控制與應(yīng)用，以及自適應(yīng)控制。

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