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基于改进视线导引律的欠驱动AUV三维路径跟踪控制研究

摘要

各国对于海洋资源的开发与争夺已经随着地球陆上资源的枯竭逐渐陷入焦灼的局

(AUV)

面。自主式水下运载器因其具备尺寸小、安全性好、机动性强等特点受到重点关

注。为了减少成本、装配简单等需求，欠驱动AUV被设计出来用于广泛的水下作业任

务。在水下三维空间的运动中，欠驱动AUV采用传统的线性控制无法很好的解决海洋

环境下跟踪控制问题，低精度的跟踪控制会影响水下工作的效率。因此，为了提高水下

作业的工作效率，研究水下作业时的路径跟踪控制问题有着重要的研究意义和实用价值。

本文在改进视线导引律方法的基础上研究欠驱动AUV路径跟踪控制问题，主要从

三维跟踪导引律的跟踪收敛问题、欠驱动AUV路径跟踪控制器的抗干扰问题、舵力饱

和条件下的优化跟踪控制问题三个方面展开研究。

首先研究三维跟踪导引律的跟踪收敛问题。针对欠驱动AUV在海流干扰下的三维

路径跟踪精度较低问题，提出了一种基于降阶观测器的积分视线导引律方法。设计了对

跟踪误差模型中未知不确定性部分估计补偿的降阶观测器，将其估计的补偿部分作为积

分视线导引律中的虚拟控制输入参数，解决了海流干扰影响下的跟踪误差较大问题。相

较于传统导引律，该方法不光提高了跟踪精度也改善了海流干扰下的跟踪误差波动问题。

然后研究了欠驱动AUV路径跟踪控制器的抗干扰问题。针对海流干扰下跟踪误差

波动较大的问题，提出了一种基于模糊逻辑系统的积分滑模控制器设计方法。在基于本

文设计的改进导引律提供跟踪期望偏角后，将期望跟踪偏角误差进行积分滑模处理后作

为跟踪控制器和模糊逻辑系统的输入，降低了跟踪误差的波动并提高了系统的瞬时响应

能力。相较于传统控制器不光提高了系统的鲁棒性也降低了对被控对象模型的依赖性。

最后研究了舵力饱和条件下的优化跟踪控制问题。针对实际跟踪控制需要考虑物理

约束的问题，提出并设计了基于模型预测控制的欠驱动AUV路径跟踪控制器。通过导

引律求得的期望跟踪速度，将其带入到基于欠驱动模型简化的MPC控制系统求解控制

量。把基于路径跟踪控制律求解控制量的问题转变为二次规划的最优求解问题，并且加

入了线性扩张状态观测器补偿控制系统的广义不确定部分，实现对复杂环境下的最优路

径跟踪控制。相较于传统控制器的控制方法，提供了一种在海流干扰下路径跟踪的约束

与导引律结合的控制方法。

关键词：自主式水下运载器；路径跟踪；视线导引律；模糊逻辑系统；模型预测控制

基于改进视线导引律的欠驱动AUV三维路径跟踪控制研究

Abstract

Theexploitationofandcompetitionformarineresourcesbyallcountrieshavegradually

cometoagrindinghaltwiththedepletionoftheEarthsland-basedresources.Autonomous

UnderwaterVehicle(AUV)hasattractedsignificantattentionduetothesmallsize,safetyand

maneuverability.Inordertominimizethecost,simpleassemblyandotherrequirements,the

underactuatedAUVhasbeendesignedforawiderangeofunderwateroperationalmissions.

TheunderactuatedAUVsthree-dimensionalmotionunderwaterusingthetraditionallinear

controlcannotsolvethetrackingcontrolprobleminthemarineenvironmentproperly,low-

precisionfollowingcontrolaffectstheeffici