[论文]自主水下机器人垂直面路径跟踪静态输出反馈控制设计

摘要

提出了一种用于自主水下机器人的输出反馈控制器的设计，以实现垂直平面内的路径跟踪任务。使用车辆运动学，生成参考系，该参考系提供车辆沿路径的期望方位。然后使用参考轨迹定义误差空间，并由此线性化。基于该线性化模型，设计了一种静态输出反馈控制器，并在非线性对象上实现。计算机仿真已被用来验证控制器的设计。

介绍

在过去的几十年里，自主水下机器人一直是一个活跃的研究领域，因为这些机器人在军事、商业和科学任务中有各种各样的应用。能量消耗的限制和传感器测量的使用使得水下机器人的控制和引导更具挑战性。缺乏合适的声学传感器和对水下机器人任务成本效益的限制导致了物理上可实现的输出反馈控制器。由于非线性、耦合动力学和未知的水动力系数，水下勘测或操纵任务难以处理(Fosen，1990)。作为一个基本的反馈控制问题，输出反馈控制器已经在文献中得到广泛的回顾。Refsnes等人(2007)通过实验验证了输出反馈控制器的有效性。Silvestre等人(2002)和Silvestre和Pascoal (2007)实现的动态输出反馈控制器保证了闭环动态的稳定性。然而，与静态输出反馈控制器相比，这种动态控制器需要更高的设计计算成本以及更复杂的实现。

尽管水下机器人控制器更容易实现，动作更快，更适用于水下机器人应用，但这种控制器的设计存在问题，因为不存在解决水下机器人设计问题的充分必要条件(Syrmos等人，1997)。这导致研究人员提出了几个迭代算法，通过使用其中的任何一个来为给定的问题产生控制。热罗梅尔等人(1998)研究了自组织函数控制器的稳定性和凸性，给出了自组织函数控制器可解的充分条件。于(2004)提出了一个收敛算法，解决了双最优输出反馈调节器理论，保证了SOF控制器的稳定性。岩崎等人(1994年)和库塞拉和德索萨(1995年)调查了各种稳定条件和算法，以确定s of控制器的有效性。本文在Serret-Frenet框架定义的误差空间中实现了SOF控制器，实现了水下机器人垂直面动力学中的路径跟踪任务。使用身体框架fBg和期望的身体框架fCg之间的速度和位置差来定义误差空间。然后将误差空间线性化，并使用于(2004)的SOF设计算法。观察到该算法成功地产生了控制器增益，并且所设计的增益能够稳定满足一定二次性能的系统。通过对水下机器人模型的仿真，验证了所得结果。

第二节回顾了水下机器人在垂直面上的运动学和动力学模型。第3节介绍了误差空间，而第4节包括误差空间的线性化。第五节提出了可编程序控制器的设计。第6节的仿真和结论验证了所设计的控制器在不同参考条件下的有效性。

水下机器人建模

参考系

船舶建模涉及运动学和动力学的研究。根据福森(1990)的观点，水下机器人在垂直面上的模型将在以下章节中描述。

主体固定框架的运动是相对于惯性框架来描述的。地球的运动几乎不影响低速航行器，因此地球固定参考系可视为惯性参考系。车辆的位置和方向在惯性参考系I中描述，而线速度和角速度在相对于I的车身固定坐标系B中描述。水下机器人的向前运动由推进器控制，而具有所需方向的操纵由船头、船尾和方向舵控制平面调节。图1示出了在相对于惯性框架的身体固定坐标框架中表示的三个线速度和三个角速度。

水下机器人动力学包含非线性和耦合的水动力参数，难以实现控制。根据希利和利纳德(1993)，水下机器人的六自由度模型可以细分为三个非相互作用或轻微相互作用的子系统，用于速度控制、垂直面模式和转向模式。为了控制水下机器人垂直平面的上升或下降，可以使用子模型。Cristi等人(1990)、尤和柴(1998)、Silvestre (2000)和Silvestre等人(2009)选择了在垂直面内控制AUV，忽略摇摆、横摇和偏航速度动力学。

垂直面模型

忽略车辆的稳定横摇模式，考虑车辆的对称性，水下机器人模型可以简化为两个相互作用或不相互作用的子系统，即纵向子系统和横向子系统。纵向子系统或垂直平面模型包括波动、升沉和俯仰作为其状态以及运动学模型



惯性坐标系I中的车辆运动学方程由下式给出


其中$m、\rho 、I_y、L、W和B$分别代表车辆质量、水密度、沿y轴的惯性矩、车辆长度、重量和浮力。车辆的输入是船尾平面偏转${\delta }_s$和推力$T$。