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匹配/非匹配扰动与多元约束下水下无人航行器鲁棒快速轨迹跟踪控制

批准号:
52101365
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
乔磊
依托单位:
学科分类:
船舶工程
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
乔磊

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
水下无人航行器(AUV)轨迹跟踪控制技术是其完成敌方港口侦查、协同编队以及移动目标跟踪等时间受限任务的基础。由于受收敛时间强约束、模型不确定性、复杂海洋环境干扰及推力和运动状态约束等因素的影响,AUV轨迹跟踪控制面临挑战。目前缺乏可以同时解决上述问题的AUV轨迹跟踪控制器。本项目从AUV轨迹跟踪控制系统需要强鲁棒性、快速收敛性和处理复杂约束的能力这几个实际需求出发,针对匹配/非匹配扰动与多元约束下的AUV轨迹跟踪控制问题,探索将模型预测方法、扰动观测器与申请人提出的自适应积分/快速积分终端滑模控制相结合的AUV轨迹跟踪控制方法,构建兼具强鲁棒性、快速收敛性、处理复杂约束能力和补偿非匹配扰动能力的控制器。搭建基于真实AUV动力学模型和真实扰动数据集的ROS仿真实验平台,近乎真实地模拟实际场景,对所提出的控制方法的有效性和优越性进行验证,为AUV智能化水平的发展提供理论和技术支撑。
英文摘要
Trajectory tracking control of autonomous underwater vehicle (AUV) is the basis for the completion of the time-limited tasks such as enemy port reconnaissance, formation, moving target tracking and so on. Due to the strong constraints of convergent time, model uncertainties, complex marine environment disturbances and thrust and motion state constraints, the trajectory tracking control of AUV faces challenges. There is currently a lack of effective trajectory tracking control method for AUV that can simultaneously solve the above problems. This project starts from the actual needs of the trajectory tracking control system of AUV, that is, the requirements of strong robustness, fast convergence and the ability to deal with complex constraints. For the trajectory tracking control problem of AUV under matched/mismatched disturbances and multiple constraints, this project aims to explore the control method that combines the model prediction method, the disturbance observer and the adaptive integral/fast integral terminal sliding mode control proposed by the applicant for the trajectory tracking control of AUV, and construct a controller with strong robustness, fast convergence, ability to handle complex constraints, and ability to compensate for mismatched disturbances. A ROS simulation experiment platform based on the real AUV dynamic model and real disturbance data set will be built, which can simulate the actual scene almost realistically, to verify the effectiveness and superiority of the proposed control method. The accomplishment of this project will provide theoretical and technical support for the development of the AUV intelligent level.
水下无人航行器(AUV)轨迹跟踪控制是其完成目标跟踪、自主避障、协同博弈等时间受限任务的关键。由于受模型不确定、复杂海洋环境扰动、欠驱动特性引发的非匹配扰动的影响以及收敛时间和运动状态的约束,AUV高性能轨迹跟踪控制面临挑战。本项目针对工程中最常用的开架式和回转体两类欠驱动AUV:通过模型重构技术,率先建立了包含非匹配扰动的AUV全驱动动力学模型;基于模型预测控制、自适应估计和积分终端滑模控制,提出了匹配/非匹配扰动和多元约束下欠驱动AUV快速高精度轨迹跟踪控制方法,与现有方法相比具有鲁棒性强、收敛速度快和能够处理复杂约束的优势;为使所提控制方法更适合工程应用,通过设计有限时间扰动观测器代替原控制方法中的自适应估计,形成了控制输入更加平滑的新控制方法,解决了原控制方法中的微分爆炸和控制输入抖振现象,满足工程应用;开发了基于真实AUV动力学模型和真实扰动数据集的ROS高保真仿真平台,完成了高保真仿真,验证了所提控制方法的有效性和优越性,进一步开发了AUV数字孪生系统,开展了水池试验,验证了所提控制方法的工程实用性。项目所提出的AUV控制新方法可部署于实际AUV中,能够提高其控制性能,在实现高效自主避障、集群协同与攻防博弈等复杂任务方面有广阔的应用前景。此外,在实际工程中,实现复杂环境下AUV算法海试测试与验证需要极高的人员、时间与经济成本且存在极大的安全隐患,而项目开发的AUV数字孪生平台利用虚实结合的测试技术可实现低风险、低成本、高可信度的AUV算法测试与验证,提供算法测试及优化功能,而无需承担航行器损坏的风险。故在AUV智能算法测试与验证方面有巨大潜力。
通信延迟与攻击下AUV集群队形机动变换避障方法研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    0.0万元
  • 批准年份:
    2025
  • 负责人:
    乔磊
  • 依托单位:
国内基金
海外基金