基于預(yù)設(shè)性能制導(dǎo)律的欠驅(qū)動AUV海底地形魯棒時滯跟蹤控制

近年來，由于自主水下機器人(AUV)在水文測量、水下探測巡檢作業(yè)等方面的優(yōu)勢，其在商業(yè)和科研方面的應(yīng)用愈發(fā)廣泛.為成功完成指定任務(wù)，路徑跟蹤運動控制是不可或缺的一個環(huán)節(jié)，因此相關(guān)研究倍受國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注.針對外界時變擾動影響下的控制問題，Do等基于反步法和投影算法設(shè)計了一個魯棒控制器實現(xiàn)全局漸近穩(wěn)定，并利用模型船開展了實驗驗證.Wang等設(shè)計了模糊未知觀測器對擾動進行在線觀測補償.考慮未精確建模及參數(shù)攝動問題，余亞磊等通過坐標(biāo)變換對模型進行轉(zhuǎn)化，隨后利用反步自適應(yīng)算法對不確定項進行補償.此外，文獻[5]中所采用的模糊逼近方法也可有效處理這一問題.考慮到實際物理條件限制，執(zhí)行器所產(chǎn)生的控制輸入是受限的，因而輸入飽和問題也是一個需要解決的問題.常見的一種方法是設(shè)計輔助動力系統(tǒng)進行處理, 此外還可采用平滑飽和函數(shù)、邊界李雅普諾夫函數(shù)和飽和濾波器等策略.

上述文獻中，執(zhí)行機構(gòu)所固有的時滯特性并未被考慮在內(nèi)，而且，瞬態(tài)過程的性能如超調(diào)量等并未被考慮在內(nèi)，但這對于水下探測作業(yè)尤其是近海底起伏地形作業(yè)是尤為重要的.為采集相關(guān)水文數(shù)據(jù)，水下人機器人往往需要貼近海底航行.安全領(lǐng)域模型方法是保障安全航行的一種有效手段，文獻[11-12]通過引入模糊理論和八叉樹方法建立了多種用于AUV安全航行的領(lǐng)域模型.徐國華等基于專家系統(tǒng)設(shè)計了AUV模糊自救系統(tǒng)和主動應(yīng)急自救機制.上述方案往往嵌入在應(yīng)急系統(tǒng)而非控制系統(tǒng)，因此若是在控制層也設(shè)計具有安全約束特性的控制器，可實現(xiàn)雙重航行安全保障，可進一步提高航行安全性.

面向海底起伏地形跟蹤作業(yè)需求，航行安全約束需在全過程得到保障，如控制器響應(yīng)過慢或超調(diào)過大均有可能對AUV安全性帶來問題，因而需要尋求一種有效的解決方案以實現(xiàn)對控制系統(tǒng)瞬態(tài)性能的安全約束.傳統(tǒng)的控制器設(shè)計僅能保障系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，有限時間和固定時間控制可對收斂時間起到約束，但是超調(diào)量仍難以約束.針對這一問題，Bechlioulis等于2008年提出預(yù)設(shè)性能控制技術(shù)，隨后在水下機器人中得到了成功的應(yīng)用.此外，Dai等和Zheng在預(yù)設(shè)性能路徑跟蹤方面也開展了相關(guān)工作，但多是針對水平面的，且未考慮系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)時滯特性.為此，本文針對帶有時滯特性的AUV深度面路徑跟蹤控制問題，提出了一種基于預(yù)設(shè)性能技術(shù)的控制器設(shè)計方法.與現(xiàn)有文獻相比，本文主要貢獻如下：

2.3.2 基于信息不對稱角度分析政府政策失靈 信陽市政府治理農(nóng)作物秸稈禁燒過程中，出臺的相關(guān)政策涉及范圍廣泛且強度大。焚燒政策主要是從“禁”的角度，以縣、鄉(xiāng)、村為單位，實行秸稈禁燒責(zé)任制度，通過層層的管制與監(jiān)督，杜絕焚燒秸稈的現(xiàn)象發(fā)生。要求各縣、鄉(xiāng)、村成立分片包干小組和禁燒監(jiān)督小組，晝夜輪番巡查，對小組領(lǐng)導(dǎo)所監(jiān)督的地區(qū)發(fā)現(xiàn)起火點，進行嚴(yán)格罰款[5]。從政府角度來看，政策只是一種強制性的手段，只能通過嚴(yán)厲政策緩解焚燒秸稈的狀況，并沒有從根源上為秸稈謀求長久發(fā)展的綜合利用方式。農(nóng)戶不了解秸稈資源的用途，加上為了省時和省力，而采用焚燒方式處理，從而使得政府政策得不到有效的發(fā)揮，造成了政府的失靈。

二是嚴(yán)格質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)并打造知名品牌。提高產(chǎn)品科技含量，發(fā)展農(nóng)業(yè)科技，加強對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的培訓(xùn)力度，提高生產(chǎn)效率，增加農(nóng)產(chǎn)品附加值，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)架構(gòu)；三是通過多種途徑提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者的品牌意識，使規(guī)范生產(chǎn)變?yōu)槌Ｒ?guī)操作，在根源上保障產(chǎn)品質(zhì)量，并且要加強品牌保護意識，對假冒產(chǎn)品予以打擊。

本文首先闡述CCOS技術(shù)的原理及發(fā)展過程及CCOS技術(shù)的研究情況和實驗結(jié)果，隨后對幾項關(guān)鍵技術(shù)的研究成果及現(xiàn)狀進行綜述，最后對CCOS技術(shù)未來的發(fā)展趨勢進行展望。

(1) 面向AUV海底起伏地形跟蹤任務(wù)的需求，本文中結(jié)合預(yù)設(shè)性能與時變視線角制導(dǎo)技術(shù)，設(shè)計了一種預(yù)設(shè)性能制導(dǎo)律，在確保系統(tǒng)誤差收斂的同時還兼顧了瞬態(tài)跟蹤性能，有利于提升AUV在海底起伏地形跟蹤控制的航行安全.

(2) 針對執(zhí)行器由于物理性能約束所固有的時滯特性，本文基于徑向基函數(shù)(RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和時滯動力學(xué)模型方程設(shè)計了一種魯棒時滯控制器，避免了未考慮時滯特性導(dǎo)致實艇算法移植穩(wěn)定性下降的問題，使其更符合航行控制需求.

1 控制對象模型建立

欠驅(qū)動AUV在深度面的簡化運動學(xué)模型如下所示：

(1)

式中：，分別為定義在慣性坐標(biāo)系{}上的深度面前向和垂向位置；，分別為隨體坐標(biāo)系{}上的前向、垂向速度；為AUV縱傾角；為俯仰角速度.如圖1所示，本文的控制目標(biāo)旨在使得AUV在執(zhí)行海底地形跟蹤探測任務(wù)時，可跟蹤至由環(huán)境感知信息所規(guī)劃得出的深度面期望目標(biāo)軌跡()上，為路徑參數(shù)，同時全過程中跟蹤誤差一直處于預(yù)先設(shè)定的界限內(nèi)本文中在路徑上定義一虛擬點=[()()]用以引導(dǎo)AUV向目標(biāo)趨近. 以虛擬點為原點，進一步可定義Serret-Frenet坐標(biāo)系{SF}，其軸方向虛擬點合速度方向平行，軸方向由右手螺旋規(guī)則確定.隨后，AUV與虛擬點在Serret-Frenet坐標(biāo)系的跟蹤誤差可定義為

(2)

式中：為虛擬點的潛伏角.進一步，其運動誤差動態(tài)可作如下表達(dá)：

(3)

具有時滯特性的動力學(xué)模型可以作如下表述：

(4)

式中：為舵角增益；為舵機時滯系數(shù)；為考慮時滯的真實舵角； 為舵角指令；為水動力函數(shù)，具體定義如下：

=(--+ +

+||||+||||-

(5)

微課視頻的內(nèi)容要強調(diào)理論知識的重難點，對實踐部分要強調(diào)過程、注重細(xì)節(jié)；在平臺建設(shè)方面構(gòu)建學(xué)習(xí)平臺并上傳學(xué)習(xí)資源；在知識儲備方面，熟悉教學(xué)內(nèi)容，預(yù)測可能出現(xiàn)的問題；在策略制定方面，教師制定教學(xué)策略，對教師的知識儲備能力要求較高。

因本文中所研究的問題為路徑跟蹤問題，對AUV到達(dá)路徑時間無明確要求，因而對前向速度控制無特殊要求.此外，為確保AUV的續(xù)航性，執(zhí)行任務(wù)時往往以經(jīng)濟航速前行，同時前向速度通常具有單獨控制系統(tǒng)，穩(wěn)定航行波動較小，因而本文中作出上述假設(shè).

2 控制器設(shè)計

為實現(xiàn)水下機器人深度面路徑跟蹤目標(biāo)，本文分別從運動學(xué)和動力學(xué)入手進行控制器設(shè)計.首先，基于預(yù)設(shè)性能函數(shù)進行誤差轉(zhuǎn)換，隨后在轉(zhuǎn)換系統(tǒng)基礎(chǔ)上設(shè)計相應(yīng)的虛擬點速度及預(yù)設(shè)性能制導(dǎo)律用以引導(dǎo)水下機器人趨近目標(biāo)路徑.同時，考慮系統(tǒng)所存在時滯特性，為確保水下機器人可與參考輸入姿態(tài)同步，基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RBFNN)和自適應(yīng)技術(shù)設(shè)計了魯棒動力學(xué)控制器，具體控制框圖如圖2所示.

2.1 運動學(xué)設(shè)計

預(yù)設(shè)性能控制技術(shù)由Bechlioulis等于2008年提出，其本質(zhì)是通過預(yù)設(shè)性能誤差轉(zhuǎn)換將具有受限誤差的原始系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為一新系統(tǒng).通過設(shè)計控制器鎮(zhèn)定這一系統(tǒng)，可確保誤差全過程處于給定界限內(nèi).本文中所給定預(yù)設(shè)性能誤差范圍如下：

-,<<,

(6)

式中：=,；,，,分別為預(yù)設(shè)性能上下界限,()=(0-∞)e-+∞，,()=(0-∞)e-+∞均為航行安全性能函數(shù)，分別代表了對應(yīng)自由度的性能上下限；*0,*∞,*為待設(shè)定正常數(shù)可見性能函數(shù)是一個初值為*0，以指數(shù)速率e-*向預(yù)設(shè)終值*∞收斂的函數(shù)，*0規(guī)定了初始誤差界限，*∞確定了穩(wěn)態(tài)階段可允許的最大靜差，*決定了收斂速度.

顯然性能函數(shù)會從初值*0以指數(shù)速度趨近于*∞，這一收斂速度也是系統(tǒng)誤差收斂速度的下界，*∞是系統(tǒng)誤差在穩(wěn)態(tài)階段的上界，適當(dāng)選取這一參數(shù)使得其小于目標(biāo)路徑與海底的深度差，可對航行安全起到保障作用此外，為確保預(yù)設(shè)性能界限不被違背，的選取必須確保>|(0)|鑒于參數(shù)*0，*∞，*可根據(jù)期望性能約束進行預(yù)先設(shè)置，因而可通過選取合適的*0使>|(0)|得以滿足.

為后續(xù)預(yù)設(shè)性能控制技術(shù)實施，引入如下預(yù)設(shè)性能函數(shù)：

(7)

基于預(yù)設(shè)性能函數(shù)可將原始路徑跟蹤系統(tǒng)的誤差方程重構(gòu)為如下新系統(tǒng)：

“陰陽水”要少喝。所謂的“陰陽水”多指生水（礦泉水、自來水等）和開水混合成的水，日常飲水機中經(jīng)過凈化的水，混合起來對身體無礙，但除此之外的自來水、井水等生水則不可取。

(8)

(9)

為簡化控制器設(shè)計，使其結(jié)構(gòu)更為簡捷，便于實艇移植驗證，本文中令,=,=,=,==(-)- +由于這是由控制工程師預(yù)設(shè)的性能界限，通過調(diào)整參數(shù)*0、*∞、*即可實現(xiàn)這一要求.

(10)

求導(dǎo)可得：

航行過程中AUV的速度以經(jīng)濟航速穩(wěn)定航行.

1831年世界上最偉大的精神哲學(xué)家黑格爾停止了他的“精神探索”。黑格爾把勞動看作人的本質(zhì)，把人的自我創(chuàng)造看作一個過程，一定程度上看到了人的活動對于歷史發(fā)展的作用，但是在黑格爾那里，勞動只是人的精神活動，是絕對精神的外化表現(xiàn)，“他——（只是）在抽象的范圍內(nèi)——把勞動看作人的自我創(chuàng)造的活動”［2］128，“人的勞動”被“絕對精神”無情地窒息了。然而，在黑格爾之后，“現(xiàn)實的人”不僅沒有從黑格爾的“絕對觀念”中解放出來，反而重新陷入了“自我意識”和“感性直觀”的泥淖之中。

[(-sin+)+]+

(11)

隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，金屬連接領(lǐng)域也需不斷地創(chuàng)新，如汽車整車制造行業(yè)、汽車零部件制造行業(yè)、電動機制造行業(yè)、低壓電氣制造行業(yè)、壓縮機制造行業(yè)、家電制造行業(yè)及五金制造行業(yè)等都離不開金屬連接技術(shù)，廣州亨龍智能裝備股份有限公司正是這樣一家致力于制造全系列的電阻焊機及金屬連接智能裝備的企業(yè)，不斷改進與完善、開發(fā)與創(chuàng)新，以節(jié)能環(huán)保為根基，促進與國際的合作，為金屬連接技術(shù)做出巨大貢獻。

如果車輛行駛中屏幕突然變黑，收音機或者音樂的聲音也會中斷，過幾秒自己又會恢復(fù)正常，此故障一般是藍(lán)牙模塊引起的故障。檢查時可以拔出藍(lán)牙模塊的兩根光纖，手動對接，如果系統(tǒng)正常了，就是藍(lán)牙模塊的問題，解決方法有兩個：

-=-

(12)

=

在進行旅游開發(fā)之前，要先對市場做一個研究，對當(dāng)?shù)氐恼?、文化?xí)俗等進行了解。旅游開發(fā)應(yīng)有分工明確的部門管理相應(yīng)的事務(wù)，如衛(wèi)生、消防、工商等部門。一些旅游開發(fā)者沒有考慮這些問題，盲目開發(fā)，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境破壞和資源浪費。對旅游市場不健全或沒有能力開發(fā)的旅游地，應(yīng)停止開發(fā)。

(13)

(14)

(15)

將式(11)代入式(12)～(15)，可化為

(16)

根據(jù)上式，可設(shè)計運動學(xué)控制律如下：

式中：和為待整定控制參數(shù).

(17)

(-)

(18)

=+cos

考慮到：

(19)

進一步可得所跟蹤虛擬點的俯仰角速度為

(20)

若所設(shè)計的制導(dǎo)律是連續(xù)且非奇異的，則控制過程中AUV不會因參考俯仰角速度跳變而造成控制性能振蕩.證明如下：

式(18)中僅考慮-這一分母項，確實會在→出現(xiàn)奇異現(xiàn)象，但是由于在控制器設(shè)計中引入了sin-sin這一分子項可以避免這一問題，此時，

(21)

由等價無窮小可知

進而避免了奇異現(xiàn)象，確保了制導(dǎo)律的連續(xù)性和非奇異性.

2.2 動力學(xué)設(shè)計

運動學(xué)層面給出了參考的俯仰角，若水下機器人姿態(tài)角可與參考角實時匹配，則會逐漸向目標(biāo)路徑收斂，且收斂過程中的誤差時刻處于預(yù)設(shè)的上下界內(nèi).為實現(xiàn)這一目標(biāo)，下一步將在動力學(xué)層面設(shè)計相應(yīng)的控制律.定義俯仰角跟蹤誤差為=-，選擇第2個李雅普諾夫函數(shù)：

(22)

對其求導(dǎo)可得：

(23)

結(jié)合其時滯動力學(xué)模型的特性，利用線性化反饋技術(shù)可設(shè)計如下動力學(xué)控制器：

1.1 試驗材料 參試品種(系)3個，分別為自育新品種GZ66和GZ90，當(dāng)?shù)刂髟云贩NK326(CK)。肥料有煙草專用復(fù)合肥、鈣鎂磷肥、硝酸鉀、硫酸鉀等。

(24)

(25)

(26)

2.3 穩(wěn)定性分析

在假設(shè)1條件下，水下自主機器人系統(tǒng)式(4)在所設(shè)計虛擬點速度律式(17)、預(yù)設(shè)性能制導(dǎo)律式(18)和考慮時滯的魯棒神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器式(26)作用下，通過適當(dāng)選取參數(shù)可實現(xiàn)深度面路徑跟蹤需求，路徑跟蹤位姿誤差漸近穩(wěn)定收斂，并且深度和前向誤差時刻處于預(yù)設(shè)性能界限內(nèi).

選取最終的李雅普諾夫預(yù)選函數(shù)為

(27)

對其求導(dǎo)可得：

對于工程建設(shè)的相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的編制和修訂，建設(shè)行政主管部門和行業(yè)協(xié)會要積極組織建設(shè)、設(shè)計、施工、監(jiān)理單位進行宣貫學(xué)習(xí)和技術(shù)培訓(xùn)。特別是設(shè)計單位，要更新觀念，積極進行相關(guān)軟件的研發(fā)升級，將高強鋼筋應(yīng)用的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范納入到工程實踐中。

(28)

代入所設(shè)計的制導(dǎo)律及控制律可得：

同時，注意到：

(29)

代入所設(shè)計自適應(yīng)律可得：

(30)

我國經(jīng)濟法與其他法律最大的不同點就是其對全國所有體系進行要求，其有權(quán)對所有對社會利益造成危害的體系問責(zé)。經(jīng)濟法以社會利益為保護主體，明確落實問責(zé)制度，規(guī)定任何個體、組織不管出于何種目的都不能損害我國經(jīng)濟，給社會各個階層敲響保護經(jīng)濟健康發(fā)展的警鐘。監(jiān)督所有個群體組織，促使其保護我國經(jīng)濟。

3 仿真研究

為驗證本文中所提出控制算法的有效性，利用REMUS自主水下機器人作為研究對象開展仿真試驗，其模型參數(shù)如表1所示.仿真中施加時變海流干擾，其對應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為=0005，=1+01sin 025

仿真過程中令機器人跟蹤一深度面變深路徑，用以模擬水下機器人起伏地形航行.同時為更好地測試所提控制器性能，令機器人從兩個不同初始位姿出發(fā)，形成兩個仿真案例，對應(yīng)初始狀態(tài)分別為：案例1 [(0)(0)(0)]=[-10 m 12 m 0°]，案例2 [(0)(0)(0)]=[-10 m 28 m 0°].機器人速度的初始狀態(tài)為 [(0)(0)(0)]=[1.5 m/s 0 m/s 0 m/s]，穩(wěn)定航行前向速度為1.5 m/s.同時，考慮到為保證舵的響應(yīng)和對執(zhí)行機構(gòu)的保護，工程實踐中一般將水下機器人舵角限幅在30° 以內(nèi)，因此本仿真將實際執(zhí)行器機構(gòu)飽和限幅為30°.控制器設(shè)計參數(shù)選取為=1,=1,=05,=0005,=2,=15預(yù)設(shè)性能參數(shù)為=125,=125,=01

仿真結(jié)果如圖3～8所示.同時，為更好地評價所設(shè)計控制器的表現(xiàn)，本文中采用下式計算控制性能指標(biāo)：

(31)

式中：和分別為開始和結(jié)束時間；MAE為前向通道的平均絕對誤差；MAE為垂向通道的平均絕對誤差，用以衡量控制器的響應(yīng)能力；MIA為平均積分絕對值，可用于測量控制輸入所帶來的消耗；MTV為平均變化絕對值，可用于評價控制舵角的平滑性.

由圖3可以看出，所設(shè)計的控制器會趨使水下機器人迅速向目標(biāo)路徑收斂，且即使在不同初始狀態(tài)一樣可起到作用.各自由度的具體誤差曲線在圖4中給出，可見誤差時刻處于所限定的性能區(qū)域內(nèi)，進一步證實了預(yù)設(shè)性能策略的有效性.此外，由圖4和表2可以看出，得益于預(yù)設(shè)性能控制技術(shù)對收斂速度下界的約束，可以實現(xiàn)誤差的快速收斂.圖5刻畫了系統(tǒng)的潛伏角誤差跟蹤曲線，顯然水下機器人經(jīng)過短暫調(diào)整后潛伏角跟蹤誤差會趨近于0°.由圖6和圖7可以看出，由于執(zhí)行機構(gòu)的時滯遲特性，真實舵角需要延遲幾個周期才可達(dá)到所給控制指令，但即使是在這種情況下，所設(shè)計的時滯控制器仍可保證路徑跟蹤控制的效果.此外，結(jié)合表2中的MIA及MTV指標(biāo)可以看出，除了初期的誤差較大時控制舵角會有較大波動外，其總體的能量較小、信號較為平滑.圖8給出了速度時歷曲線，在前期收斂過程由于水下機器人姿態(tài)有較大變化，相應(yīng)垂向速度和俯仰速度略有波動， 但在抵達(dá)路徑后速度僅跟隨周期性路徑而平穩(wěn)變化.

我終于明白了，為什么莫言先生念念不忘山東高密東北鄉(xiāng)那一片片高粱，為什么?？思{寫的故事都發(fā)生在約克納帕塔法這個地方，為什么賈樟柯電影里的人物都說著山西話。我也隱約明白了，西楚霸王項羽，臨終前為何說無顏見江東父老。

由式(30)計算得到的性能參數(shù)如表2所示.表中(=,)為到達(dá)時間, 即系統(tǒng)誤差收斂至小于0.1 m的時間，用于表征誤差收斂的快速性.

4 結(jié)語

考慮執(zhí)行器固有時滯特性，為實現(xiàn)水下機器人近海底起伏地形航行作業(yè)過程中的路徑跟蹤，本研究引入預(yù)設(shè)性能控制技術(shù)以確保前向跟蹤及垂向跟蹤精度可時刻處于設(shè)定范圍內(nèi). 在運動學(xué)階段設(shè)計了虛擬點速度律以及預(yù)設(shè)制導(dǎo)律用以引導(dǎo)機器人在兼顧瞬態(tài)性能的前提下趨向目標(biāo)路徑.隨后，為確保水下機器人可達(dá)到參考輸入姿態(tài)角，在動力學(xué)階段基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及自適應(yīng)技術(shù)設(shè)計了魯棒時滯動力學(xué)控制器，達(dá)到期望的路徑跟蹤性能.最后，通過李雅普諾夫穩(wěn)定性理論證明了閉環(huán)系統(tǒng)中信號的有界性.仿真結(jié)果進一步證實了所設(shè)計控制器可確保水下機器人完成起伏地形下的路徑跟蹤任務(wù)，同時跟蹤誤差時刻處于預(yù)設(shè)性能范圍之內(nèi)，有利于提高航行安全性能.