基于积分滑模的欠驱动UUV地形跟踪控制

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1、第３７卷第５期哈尔滨工程大学学报Ｖｏｌ．３７№．５２０１６年５月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨａｒｂｉｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＭａｙ２０１６基于积分滑模的欠驱动ＵＵＶ地形跟踪控制严浙平，于浩淼，李本银，周佳加（哈尔滨工程大学自动化学院，黑龙江哈尔滨１５０００１）摘要：针对参数摄动以及外界环境扰动条件下欠驱动水下无人航行器（ＵＵＶ）地形跟踪控制任务，提出了一种基于反步法（Ｂａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇ）和积分滑模控制方法（ＩＳＭＣ）的地形跟踪控制策略。首先，利用航行器的运动学特性以及局部Ｓｅｒｒｅｔ⁃Ｆｒｅ

2、ｎｅｔ坐标系，建立ＵＵＶ地形跟踪误差方程。然后，分别采用反步法和ＩＳＭＣ设计运动学控制（制导律）和动力学控制器。利用有限时间稳定性理论证明该地形跟踪控制策略作用下的闭环运动系统为全局有限时间收敛的。仿真结果表明，所提出的地形跟踪控制策略可以有效地实现地形跟踪任务，并且对于参数摄动以及外界干扰具有很强的鲁棒性。关键词：欠驱动ＵＵＶ；地形跟踪；参数摄动；有限时间稳定；积分滑模控制；反推法ＤＯＩ：１０．１１９９０／ｊｈｅｕ．２０１４１２０２０网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉ

3、ｌ／２３．１３９０．Ｕ．２０１６０４１１．０８４５．００２．ｈｔｍｌ中图分类号：ＴＰ２４２．６文献标志码：Ａ文章编号：１００６⁃７０４３（２０１６）０５⁃０７０１⁃０６Ｂｏｔｔｏｍ⁃ｆｏｌｌｏｗｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｆｏｒａｎｕｎｄｅｒａｃｔｕａｔｅｄｕｎｍａｎｎｅｄｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｖｅｈｉｃｌｅｕｓｉｎｇｉｎｔｅｇｒａｌｓｌｉｄｉｎｇｍｏｄｅｃｏｎｔｒｏｌＹＡＮＺｈｅｐｉｎｇ，ＹＵＨａｏｍｉａｏ，ＬＩＢｅｎｙｉｎ，ＺＨＯＵＪｉａｊｉａ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＨａｒｂｉｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉ

4、ｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５０００１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｂｏｔｔｏｍ⁃ｆｏｌｌｏｗｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍｏｆａｎｕｎｄｅｒａｃｔｕａｔｅｄｕｎｍａｎｎｅｄｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｖｅｈｉｃｌｅ（ＵＵＶ）ｉｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄｗｉｔｈｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｐａｒａｍｅｔｅｒｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎａｎｄｅｘｔｅｒｎａｌｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｓ．Ａｂｏｔｔｏｍ⁃ｆｏｌｌｏｗｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｌａｗｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｂａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇｍｅｔｈｏｄａ

5、ｎｄｉｎｔｅｇｒａｌｓｌｉｄｉｎｇｍｏｄｅｃｏｎｔｒｏｌ（ＩＳＭＣ）ｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ｗｈｉｃｈｅｌｉｍｉｎａｔｅｓｐａｒａｍｅｔｅｒｐｅｒ⁃ｔｕｒｂａｔｉｏｎｓａｎｄｅｘｔｅｒｎａｌｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｓ．Ｆｉｒｓｔ，ｔｈｅｂｏｔｔｏｍ⁃ｆｏｌｌｏｗｉｎｇｅｒｒｏｒｅｑｕａｔｉｏｎｓｗｅｒｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｕｓｉｎｇｔｈｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅａｎｄｔｈｅｌｏｃａｌＳｅｒｒｅｔ⁃ＦｒｅｎｅｔＦｒａｍｅ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｃｏｎｔｒｏｌｌａ

6、ｗ（ｇｕｉｄａｎｃｅｌａｗ）ａｎｄｄｙ⁃ｎａｍｉｃｃｏｎｔｒｏｌｌａｗｗｅｒｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｂａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇｍｅｔｈｏｄａｎｄＩＳＭＣ．Ｔｈｕｓ，ｔｈｅｃｌｏｓｅｄ⁃ｌｏｏｐｍｏｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｕｎｄｅｒｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｃｏｎｔｒｏｌｌａｗｗａｓｐｒｏｖｅｎｔｏｈａｖｅｇｌｏｂａｌｆｉｎｉｔｅ⁃ｔｉｍｅｓｔａｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｅｓｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｂｏｔｔｏｍ⁃ｆｏｌｌｏｗｉｎｇｍｉｓｓｉｏｎｃａｎｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙｂｅａｃ

7、ｈｉｅｖｅｄ，ａｎｄｔｈｅｒｅｉｓｓｔｒｏｎｇｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓｔｏｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎｓａｎｄｅｘｔｅｒｎａｌｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｕｎｄｅｒａｃｔｕａｔｅｄＵＵＶ；ｂｏｔｔｏｍ⁃ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ；ｐａｒａｍｅｔｅｒｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎｓ；ｆｉｎｉｔｅ⁃ｔｉｍｅｓｔａｂｉｌｉｔｙ；ｉｎｔｅｇｒａｌｓｌｉｄｉｎｇｍｏｄｅｃｏｎｔｒｏｌ；ｂａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇｍｅｔｈｏｄ近年来，随着海洋开发的逐步深入，ＵＵＶ越来越垂向缺少直接的推进装置，所以其属于典型

8、的欠驱动受到海洋工程领域专家们的关注。目前，ＵＵＶ主要系统；该ＵＵＶ也受到二阶非完整性约束。根据被应用于海洋科学调查、海底资源勘探、海底地形勘Ｂｒｏｃｋｅｔｔ准则可知，欠驱动ＵＵＶ无法被任何连续的时［１⁃２］［８］察等使命任务。在执行上述使命任务时，ＵＵＶ需不变的状态反馈控制律镇定。此外，欠驱动ＵＵＶ［３⁃６］要与海底保持恒定高度航行，亦即地形跟踪。因运动系统还会受到参数摄动、海流等内外扰动的影此，