基于滤波反步法的AUV路径跟踪控制方法研究

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1、分类号：密级：ＵＤＣ：编号：工学硕士学位论文基于滤波反步法的ＡＵＶ路径跟踪控制方法研究硕士研究生：邱军婷指导教师：李娟副教授学科、专业：控制科学与工程论文主审人：徐健教授哈尔滨工程大学２０１８年３月分类号：密级：UDC：编号：工学硕士学位论文基于滤波反步法的AUV路径跟踪控制方法研究硕士研究生：邱军婷指导教师：李娟副教授学位级别：工学硕士学科、专业：控制科学与工程所在单位：自动化学院论文提交日期：2018年1月论文答辩日期：2018年3月学位授予单位：哈尔滨工程大学ClassifiedIndex:U.D.C:ADissertationforthe

2、DegreeofM.EngBasedonFilterBack-stappingControlMethedofAUVPathFollowingCandidate:QiuJuntingSupervisor:AssociateProf.LijuanAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpecialty:ControlScienceandEngineeringDateofSubmission:Jan.2018DateofOralExamination:Mar.2018University:HarbinEngineeringUniversity

3、基于滤波反步法的AUV路径跟踪控制方法研究摘要自主式无人水下航行器（AutonomousUnderwaterVehicle，AUV）是当前各个国家研究的热点领域，因为AUV路径跟踪控制技术是实现科学勘测、海洋自然资源开发、近海防御和水下搜求等领域的关键技术之一，所以说对AUV进行开发研究具有重要的现实意义。AUV通常具有非完整性、强耦合性和非线性等，AUV所处的环境干扰通常是未知的，这给AUV的路径跟踪控制策略研究带了诸多困难。本论文针对AUV的非完整性、非线性和未知的环境干扰等因素，结合了反步法、指令滤波反步法和非线性干扰观测器设计了指令滤波反步法控制策略，针对AUV的路径跟踪控制研

4、究问题，设计了AUV的路径跟踪控制器。1.本文以OceanScan-MSTAUV为研究对象，基于“虚拟向导”和在“Serret-Frenet”坐标系下建立AUV的三维空间的路径跟踪误差模型。根据AUV的空间运动模型，对AUV的模型分别进行了水平面定常回转验证和三维空间“螺旋下潜”机动性验证，根据仿真结果可知，该AUV的数学模型具有良好的可操纵性。2.针对水平面AUV的路径跟踪控制问题，将三维路径跟踪误差模型简化为水平面路径跟踪误差模型，并根据李雅普诺夫稳定性理论和反步法控制思想，设计AUV水平面路径跟踪控制器，证明了闭环系统的渐进稳定。根据对水平面的路径跟踪控制的研究，将该控制策略应用

5、到AUV三维空路径跟踪控制中去。根据仿真实验结果可知，所设计的控制器能够满足AUV精确路径跟踪的要求。3.针对AUV路径跟踪控制问题和传统反步法控制器的设计过程中存在需要对“虚拟控制量”多次反复求导的问题，本文通引入指令滤波器来解决这一问题，并设计了AUV路径跟踪指令滤波反步法的控制器，该方法通滤波器的积分作用对“虚拟控制量”进行求导，成功解决传统反步法对“虚拟控制量”的直接求导问题，从而大大减化了控制器的设计过程。根据李雅普诺夫控制理论分析并证明了路径跟踪控制系统的稳定性。根据仿真实验结果可知，所设计的控制器能够满足AUV精确路径跟踪的要求。4.针对AUV任务作业环境中存在的未知外界

6、干扰和AUV系统的非线性，在滤波反步法的基础上引入非线性干扰观测器，设计了AUV水平面路径跟踪控制器和三维路径跟踪控制器，根据李雅普诺夫稳定性理论证明了控制系统的稳定性，然后对所设计的控制器进行了仿真验证，结果表明，所设计的控制器能够满足AUV路径跟踪的控制要求，观测器能够对外界干扰项进行很好的补偿。关键词：反步法；指令滤波器；非线性干扰观测器；滤波反步法；路径跟踪I哈尔滨工程大学硕士学位论文AbstractAutonomousUnderwaterVehicle(AutonomousUnderwaterVehicle,AUV)isahotareaofresearchinvariousc

7、ountriesatpresentbecauseAUVpathtrackingcontroltechnologyistorealizethescientificexploration,marinenaturalresourcesdevelopment,offshoredefenseandunderwatersearchandotherfieldsTherefore,itisofgreatpracticalsignificancetoresear