基于模型预测控制的UUV路径跟踪控制研究.PDF

第３８卷　第１１期 仪 器 仪 表 学 报 Ｖｏｌ３８Ｎｏ１１ ２０１７年１１月 ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｎｏｖ．２０１７ 基于模型预测控制的ＵＵＶ路径跟踪控制研究 张　伟，郁晨曦，滕延斌，魏世琳 （哈尔滨工程大学自动化学院　哈尔滨　１５０００１） 摘　要：水下无人航行器（ＵＵＶ）的路径跟踪控制是实现ＵＵＶ多种军、民用途的重要技术基础。针对ＵＵＶ路径跟踪控制中的欠 驱动、非完整约束、模型的非线性，基于非线性连续模型预测控制算法设计了ＵＵＶ垂直面路径跟踪控制器。建立了垂直面运动 模型并基于状态空间模型给出了垂直面预测模型，通过给定性能指标，运用泰勒级数展开与李导数求解出了连续时间状态下的 最优控制律，实现了欠驱动ＵＵＶ路径跟踪控制。通过仿真实验，验证了垂直面路径跟踪控制器设计的有效性。 关键词：水下无人航行器；欠驱动；模型预测控制；路径跟踪；李导数 中图分类号：ＴＨ７０１　　　文献标识码：Ａ　　国家标准学科分类代码：５１０．８０ ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＵＵＶｐａｔｈｔｒａｃｋｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｂａｓｅｄｏｎｍｏｄｅｌｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌ ＺｈａｎｇＷｅｉ，ＹｕＣｈｅｎｘｉ，ＴｅｎｇＹａｎｂｉｎ，ＷｅｉＳｈｉｌｉｎ （ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＨａｒｂｉｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５０００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｕｎｍａｎｎｅｄｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｖｅｈｉｃｌｅ（ＵＵＶ）ｐａｔｈｔｒａｃｋｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｖｉｄｅｓｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｅｃｈｎｉｃａｌｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒｖａｒｉｏｕｓｃｉｖｉｌｉａｎ ａｎｄｍｉｌｉｔａｒｙａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆＵＵＶ．Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｕｎｄｅｒａｃｔｕａｔｉｏｎ，ｎｏｎｈｏｌｏｎｏｍｉｃｃｏｎｓｔｒａｉｎｔａｎｄｍｏｄｅｌｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙｉｎｔｈｅｐａｔｈｔｒａｃｋｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌｏｆＵＵＶ，ａｎＵＵＶｖｅｒｔｉｃａｌｐａｔｈｔｒａｃｋｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｎｏｎｌｉｎｅａｒｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｍｏｄｅｌｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．ＴｈｅｖｅｒｔｉｃａｌｍｏｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆＵＵＶｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ａｎｄｔｈｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆＵＵＶｓｙｓｔｅｍｉｓｇｉｖｅｎｂａｓｅｄｏｎｓｔａｔｅｓｐａｃｅ ｍｏｄｅｌ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｇｉｖｅｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｎｄｅｘ，ｔｈｅＴａｙｌｏｒｓｅｒｉｅｓｅｘｐａｎｓｉｏｎａｎｄＬｉｅｄｅｒｉｖａｔｉｖｅａｒｅｕｓｅｄｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｃｏｎｔｒｏｌｌａｗ ｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｔｉｍｅｓｔａｔｅ，ｔｈｅｕｎｄｅｒａｃｔｕａｔｅｄＵＵＶｖｅｒｔｉｃａｌｐａｔｈｔｒａｃｋｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｉｓａｃｈｉｅｖｅｄ．Ａｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｗａｓｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ，ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｐｒｏｖｅｓｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓｏｆｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｖｅｒｔｉｃａｌｐａｔｈｔｒａｃｋｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｕｎｍａｎｎｅｄｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｖｅｈｉｃｌｅ（ＵＵＶ）；ｕｎｄｅｒａｃｔｕａｔｉｏｎ；ｍｏｄｅｌｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌ；ｐａｔｈｔｒａｃｋｉｎｇ；Ｌｉｅｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ 统附加的控制输入，把被控ＵＵＶ与路径某个参考点之间 ０　引　　言 的误差作为控制器设计的基础，设计“虚拟向导”的切速 度，由于结合误差，位于期望路径的参考点的运动受到系