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基于全向运动的AUV轨迹跟踪控制方法

徐江鹏 王俊雷 唐怡

徐江鹏, 王俊雷, 唐怡. 基于全向运动的AUV轨迹跟踪控制方法[J]. 水下无人系统学报, xxxx, x(x): x-xx doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0084
引用本文: 徐江鹏, 王俊雷, 唐怡. 基于全向运动的AUV轨迹跟踪控制方法[J]. 水下无人系统学报, xxxx, x(x): x-xx doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0084
XU Jiangpeng, WANG Junlei, TANG Yi. AUV omnidirectional trajectory tracking control method[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0084
Citation: XU Jiangpeng, WANG Junlei, TANG Yi. AUV omnidirectional trajectory tracking control method[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0084

基于全向运动的AUV轨迹跟踪控制方法

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0084
详细信息
    作者简介:

    徐江鹏(1994-), 男, 硕士, 工程师, 研究方向为水下航行器控制

  • 中图分类号: U674.941; TP13

AUV omnidirectional trajectory tracking control method

  • 摘要: 自主水下航行器(AUV)的精确轨迹跟踪能力是完成勘探、避障、管路巡检等水下任务的技术基础, 但AUV是典型欠驱动系统, 满足非完整动力学约束, 导致无法跟踪某些特殊轨迹, 也无法完成某些特殊水下动作, 例如守位调头、机头定点环绕观测等。多数研究者基于欠驱动系统理论研究如何提升AUV水下轨迹跟踪能力, 文中则从结构改进的角度, 通过借鉴水下遥控航行器(ROV)构型设计提出了新的AUV全向运动轨迹跟踪控制方法, 方法在保留AUV原有低阻流线型的鱼雷状结构设计与运动模式的前提下, 再赋予AUV新的全向运动模式, 其独特的全向运动模式解决了AUV轨迹跟踪中的运动约束问题, 具备了对任意轨迹的跟踪能力, 并完成特殊的水下动作。文中以Bluefin系列AUV为例, 设计改造全向式运动结构、开发基于Hermite算法的轨迹生成算法、基于缩放因子的轨迹导引算法以及航向-航行混控算法, 并对控制方法进行了仿真验证与水下试验验证。结果表明: 该方法能够实现AUV全向航行, 解决AUV轨迹跟踪中的运动约束问题 , 使AUV具备对任意轨迹的跟踪能力, 并完成目标动作。

     

  • 图  1  ROV和Bluefin AUV

    Figure  1.  ROV and Bluefin AUV

    图  2  Bluefin21型AUV

    Figure  2.  Bluefin21 AUV

    图  3  双侧推AUV结构示意图

    Figure  3.  Structure diagram of double thrusters AUV

    图  4  T200推进器

    Figure  4.  T200 thruster

    图  5  路径约束

    Figure  5.  Path constraint

    图  6  轨迹跟踪算法流程图

    Figure  6.  Flowchart of trajectory track algorithm

    图  7  位置控制外环

    Figure  7.  Outer position control loop

    图  8  速度控制内环

    Figure  8.  Inner velocity control loop

    图  9  双侧推航行-航向控制示意图

    Figure  9.  Swaying-heading control of double thrusters

    图  10  航行-航向混控框架

    Figure  10.  Frame of sailing-heading hybrid control

    图  11  深度控制

    Figure  11.  Depth control simulation

    图  12  进退轨迹跟踪(PID)

    Figure  12.  Surging trajectory tracking simulation(PID)

    图  13  进退轨迹跟踪(串级PID)

    Figure  13.  Surging trajectory tracking simulation(cascade PID)

    图  14  侧向轨迹跟踪(PID)

    Figure  14.  Swaying trajectory tracking simulation(PID)

    图  15  侧向轨迹跟踪(串级PID)

    Figure  15.  Swaying trajectory tracking simulation (cascade PID)

    图  16  自守位航向控制

    Figure  16.  Heading control while position holding

    图  17  全向环绕式航行测试

    Figure  17.  Omnidirectional hovering test

    图  18  无进退控制时的椭圆航迹

    Figure  18.  Elliptical trajectory while lack of surging control

    图  19  定点环绕试验航迹图

    Figure  19.  Omnidirectional hovering trajectory

    图  20  航向跟踪图

    Figure  20.  Heading tracking control

    图  21  下潜试验

    Figure  21.  Dive test in lake test

    图  22  深度控制试验

    Figure  22.  Depth control in lake test

    图  23  航行速度试验

    Figure  23.  Velocity of AUV in lake test

    图  24  水面航行观测效果图

    Figure  24.  Surface trajectory observation

    表  1  T200推进器部分性能参数

    Table  1.   Partial performance parameters of T200

    电压/V最大功率/W推力/(kg f)效率/(g/W)
    10136.02.9321.5
    12202.93.7118.3
    14285.04.5215.9
    16381.35.2513.8
    18496.36.0212.1
    20624.26.7210.8
    下载: 导出CSV

    表  2  深度控制模糊规则表

    Table  2.   Depth control fuzzy rule


    Upwm_duty
    Ec
    PLPMPSZNSNMNL




    E
    NLZNSNMNMNMNLNL
    NMPSZNSNMNMNMNL
    NSPMPSZNSNMNMNM
    ZPMPMPSZNSNMNM
    PSPMPMPMPSZNSNM
    PMPLPMPMPMPSZNS
    PLPLPLPMPMPMPSZ
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-05-22
  • 修回日期:  2024-06-20
  • 录用日期:  2024-07-03
  • 网络出版日期:  2024-09-29

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