生物启发auv三维轨迹跟踪控制算法 - 智能系统学报.pdf

第９卷第２期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 智　 能　 系　 统　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 Ｖｏｌ．９ №．２ ２０１４年４月　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ＣＡＡＩ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 Ａｐｒ． ２０１４ ＤＯＩ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３⁃４７８５．２０１３０６０２２ 网络出版地址：ｈｔｔｐ：／ ／ ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ ｋｃｍｓ／ ｄｏｉ／ １０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３⁃４７８５．２０１３０６０２２．ｈｔｍｌ 生物启发ＡＵＶ 三维轨迹跟踪控制算法 朱大奇，张光磊，李蓉 （上海海事大学水下机器人与智能系统实验室，上海２０１３０６） 摘　 要：针对水下机器人轨迹跟踪控制的速度跳变问题，提出了一种基于生物启发神经动力学模型的自治水下机器 人（ＡＵＶ）三维轨迹跟踪控制算法。 利用生物启发神经动力学模型的平滑、有界输出的特性，构造简单的中间虚拟变 量，克服了海流影响下ＡＵＶ反步轨迹跟踪控制的速度跳变问题，并且控制效果能够达到全局渐近稳定、输出结果连 续平滑。 利用Ｌｙａｐｕｎｏｖ 函数证明了所提方法的稳定性。 将该方法对“海筝二号”水下机器人进行三维轨迹跟踪控制 的仿真实验，仿真结果表明了所提控制方法的有效性。 关键词：自治水下机器人；生物启发模型；反步轨迹跟踪；速度跳变 中图分类号：ＴＰ２７ 　 文献标志码：Ａ　 文章编号：１６７３⁃４７８５（２０１４）０２⁃０１８０⁃０６ 中文引用格式：朱大奇，张光磊，李蓉． 生物启发ＡＵＶ三维轨迹跟踪控制算法［Ｊ］． 智能系统学报，２０１４，９（２）：１８０⁃１８５． 英文引用格式：ＺＨＵ Ｄａｑｉ，ＺＨＡＮＧＧｕａｎｇｌｅｉ，ＬＩＲｏｎｇ． Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｉｎｓｐｉｒｅｄｔｈｒｅｅ⁃ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｔｒａｃｋｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌａｌｇｏｒｉｔｈｍｆｏｒａｕｔｏｎ⁃ ｏｍｏｕｓ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｖｅｈｉｃｌｅｓ［Ｊ］． ＣＡＡＩ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ，２０１４，９（２）：１８０⁃１８５． Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｉｎｓｐｉｒｅｄ ｔｈｒｅｅ⁃ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｖｅｈｉｃｌｅｓ ＺＨＵ Ｄａｑｉ，ＺＨＡＮＧ Ｇｕａｎｇｌｅｉ，ＬＩ Ｒｏｎｇ （Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ ａｎｄ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｍａｒｉｔｉｍｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１３０６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｄｅａｌｗｉｔｈｔｈｅｓｐｅｅｄｊｕｍｐｐｒｏｂｌｅｍｗｉｔｈｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｂａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇｔｒａｃｋｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ａｔｈｒｅｅ⁃ｄｉｍｅｎ⁃ ｓｉｏｎａｌ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆ ｔｈｅｂｉｏ⁃ｉｎｓｐｉｒｅｄｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅａｕｔｏｎｏｍｏｕｓｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｖｅｈｉ⁃ ｃｌｅ （ＡＵＶ）ｆｏｒ ｏｃｅａｎ ｃｕｒｒｅｎｔｓ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓｐａｐｅｒ． Ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｍｏｏｔｈｎｅｓｓａｎｄ ｂｏｕｎｄｅｄｎｅｓｓｏｆ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｆｒｏｍ ｔｈｅｂｉｏ⁃ｉｎｓｐｉｒｅｄｍｏｄｅｌ，ａｓｉｍｐｌｅｖｉｒｔｕａｌｖａｒｉａｂｌｅｉｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｂｉｏ⁃ｉｎｓｐｉｒｅｄｍｏｄｅｌｔｏｍａｋｅｔｈｅｒｅ⁃ ｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｇｌｏｂａｌ ａｓｙｍｐｔｏｔｉｃａｌｌｙ ｓｔａｂｌｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ ｓｍｏｏｔｈ． Ａｓ ａ ｒｅｓｕｌｔ，ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ｊｕｍｐ ｐｒｏｂｌｅｍ ｃａｎｂｅｓｏｌｖｅｄ．Ｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ