• 中国科技核心期刊
  • JST收录期刊
  • Scopus收录期刊
  • DOAJ收录期刊

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于模糊方法的自主水下航行器滑模控制

李荣昌 白华军 张景熙 张义

李荣昌, 白华军, 张景熙, 等. 基于模糊方法的自主水下航行器滑模控制[J]. 水下无人系统学报, xxxx, x(x): x-xx doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0149
引用本文: 李荣昌, 白华军, 张景熙, 等. 基于模糊方法的自主水下航行器滑模控制[J]. 水下无人系统学报, xxxx, x(x): x-xx doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0149
LI Rongchang, BAI Huajun, ZHANG Jingxi, ZHANG Yi. Fuzzy Model Based Sliding Mode Control for AUVs[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0149
Citation: LI Rongchang, BAI Huajun, ZHANG Jingxi, ZHANG Yi. Fuzzy Model Based Sliding Mode Control for AUVs[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0149

基于模糊方法的自主水下航行器滑模控制

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0149
详细信息
    作者简介:

    李荣昌(1993-), 男, 博士, 工程师, 主要研究方向为系统控制、故障诊断

Fuzzy Model Based Sliding Mode Control for AUVs

  • 摘要: 欠驱动自主水下航行器(AUV)具有模型高度非线性、被控变量强耦合且存在参数不确定等特点, 同时还受海洋环境中难以量测的扰动影响, 上述因素导致系统控制器的设计难度较大。另外, 现有成果大多采用AUV的简化模型或仅考虑某一维度的模型, 由于AUV被控变量强耦合, 因此所设计的控制器只适用于简化模型, 无法扩展到原始的非线性AUV系统。为解决上述问题, 文中针对欠驱动AUV系统, 设计了一种基于T-S模糊模型的自适应滑模控制器, 该控制器具有高通用性和强鲁棒性, 适用于复杂的AUV系统。首先, 采用T-S模糊建模方法对非线性、存在参数不确定的AUV系统进行线性化, 得到系统全局线性化模型。同时, 将系统内部不易获得精确值的参数项转化为系统不确定项, 得到了其重构表达, 并将其分解以提高控制器参数求解自由度。其次, 考虑系统存在内部执行器故障及外部环境干扰的情况, 设计了自适应滑模控制器, 能够对未知参数进行估计, 从而自适应更新控制律以稳定系统。通过Lyapunov稳定性理论确保了闭环系统的稳定性以及系统状态可达性。最后, 仿真实验验证了文中所设计控制器的有效性。

     

  • 图  1  REMUS 100 AUV 结构示意图

    Figure  1.  Schematic structure diagram of REMUS 100 AUV

    图  2  含外部扰动与故障时AUV速度轨迹

    Figure  2.  Velocity trajectories of AUV with external disturbances and faults

    图  3  AUV控制输入

    Figure  3.  Control inputs of AUV

    图  4  滑模面

    Figure  4.  Sliding surfaces

    图  5  自适应参数

    Figure  5.  Adaptive parameters

    图  6  基于文献[9]中方法的速度轨迹图

    Figure  6.  Velocity trajectories of AUV based on method in [9]

    表  1  模型参数列表

    Table  1.   Model parameters of AUV

    参数 参数值
    $\begin{aligned}& m_i / \mathrm{kg}, i=1, \cdots, 3 \\& m_i / \mathrm{kg} \cdot \mathrm{~m}^2, i=4,5 \\& I_i /(\mathrm{kg} / \mathrm{s}), I=X, Y, Z ; i=u, v, w \\& I_i /\left(\mathrm{kg} \cdot \mathrm{~m}^2\right), I=M, N ; i=q, r \\& I_{i|i|} /(\mathrm{kg} / \mathrm{m}), I=X, Y, Z ; i=u, v, w \\& I_{i|i|} /\left(\mathrm{kg} / \mathrm{m}^2\right), I=M, N ; i=q, r \\& F_B G M_{\textit{z}} /(N \cdot m)\end{aligned}$ $ \begin{aligned}& m_1=31.41, m_2=65.98, m_3=65.98 \\& m_4=8.33, m_5=8.33 \\& X_u=13.5, Y_v=66.6, Z_w=66.6 \\& M_q=6.87, N_r=6.87 \\& X_{u|x|}=3.9, Y_{v|v|}=131, Z_{w|v|}=131 \\& M_{q|q|}=9.4, N_{r|r|}=9.4 \\& F_B G M_{\textit{z}}=6\end{aligned}$
    下载: 导出CSV
  • [1] SAHOO A, DWIVEDY S K, ROBI P S. Advancements in the field of autonomous underwater vehicle[J]. Ocean Engineering, 2019, 181(1): 145-160.
    [2] 陈强. 水下无人航行器[M]. 北京: 国防科技出版社, 2013.
    [3] 黄琰, 李岩, 俞建成, 等. AUV 智能化现状与发展趋势[J]. 机器人, 2020, 42(2): 215-231.

    HUANG Y, LI Y, YU J C, et al. State-of-the-art and development trends of AUV intelligence[J]. Robot, 2020, 42(2): 215-231.
    [4] 王芳, 万磊, 李晔, 等. 欠驱动AUV的运动控制技术综述[J]. 中国造船, 2010, 51(2): 227-241.

    WANG F, WAN L, LI Y, et al. A survey on development of motion control for under actuated AUV[J]. Shipbuilding of China, 2010, 51(2): 227-241.
    [5] TRAN H N, PHAM T N N, CHOI S H. Robust depth control of a hybrid autonomous underwater vehicle with propeller torque’s effect and model uncertainty[J]. Ocean Engineering, 2021, 220: 108-117.
    [6] HERMAN P. Decoupled PD set-point controller for underwater vehicles[J]. Ocean Engineering, 2009, 36(6-7): 529-534. doi: 10.1016/j.oceaneng.2009.02.003
    [7] SMALLWOOD D A, WHITCOMB L L. Model-based dynamic positioning of underwater robotic vehicles: theory and experiment[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2004, 29(1): 169-186. doi: 10.1109/JOE.2003.823312
    [8] BATISTA P, SILVESTRE C, OLIVEIRA P. A sensor-based controller for homing of underactuated AUVs[J]. IEEE Transactions on Robotics, 2009, 25(3): 701-716. doi: 10.1109/TRO.2009.2014496
    [9] 徐健, 汪慢, 乔磊. 欠驱动无人水下航行器三维轨迹跟踪反步控制[J]. 控制理论与应用, 2014, 31(11): 1589-1596.

    XU J, WANG M, QIAO L. Backstepping-based controller for three-dimensional trajectory tracking of undeactuated unmanned underwater vehicles[J]. Control Theory and Technology, 2014, 31(11): 1589-1596.
    [10] SHTESDDEL Y, EDWARDS C, FRIDMAN L, et al. Sliding mode control and observation[M]. New York: Springer, 2014.
    [11] YAN X G, SPURGEON S K, EDWARDS C. Variable structure control of complex systems: analysis and design[M]. Berlin: Springer, 2017.
    [12] REZAZADEGAN F, SHOJAEI K, SHEIKHOLESLAM F, et al. A novel approach to 6-DOF adaptive trajectory tracking control of an AUV in the presence of parameter uncertainties[J]. Ocean Engineering, 2015, 107: 246-258. doi: 10.1016/j.oceaneng.2015.07.040
    [13] 李娟, 王佳奇, 丁福光. 基于反馈线性化的AUV三维轨迹跟踪滑模控制[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2022, 43(3): 348-355.

    LI J, WANG J Q, DING F G. Sliding mode controller for three-dimensional trajectory tracking of AUV based on feedback linearization[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2022, 43(3): 348-355.
    [14] 武建国, 陈凯, 陈武进, 等. 基于非线性干扰观测器的 AUV 量化反馈滑模控制[J]. 水下无人系统学报, 2021, 29(5): 556-564.

    WU J G, CHEN K, CHEN W J, et al. Quantized feedback sliding mode control for AUV based on nonlinear disturbance observer[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2021, 29(5): 556-564.
    [15] 赵旭, 龚时华, 杨进. 基于LMI的无人水下航行器干扰补偿控制[J]. 水下无人系统学报, 2020, 28(3): 271-277.

    ZHAO X, GONG S H, YANG J. Disturbance compensation control for unmanned undersea vehicle[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2020, 28(3): 271-277.
    [16] TAKAGI T, SUGENO M. Fuzzy identification of systems and its application to modeling and control[J]. IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, 1985, 15(1): 116-132.
    [17] TANAKA K, WANG H O. Fuzzy control systems design and analysis: a linear matrix inequality approach[M]. New York: Wiley, 2001.
    [18] LI R C, YANG Y, Sliding mode observer based fault reconstruction for T-S fuzzy descriptor systems[J] IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics: Systems, 2021, 51(8): 5046–5055.
    [19] MANI P, JOO Y H. Fuzzy logic–based integral sliding mode control of multi–area power systems integrated with wind farms[J] Information Sciences, 2021, 545: 153–169.
    [20] PETERSEN I R. A stabilization algorithm for a class of uncertain linear systems[J]. Systems & Control Letters, 1987, 8(4): 351-357.
  • 加载中
图(6) / 表(1)
计量
  • 文章访问数:  15
  • HTML全文浏览量:  8
  • PDF下载量:  0
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2024-11-02
  • 修回日期:  2024-12-04
  • 录用日期:  2024-12-17
  • 网络出版日期:  2025-01-14

目录

    /

    返回文章
    返回
    服务号
    订阅号