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基于三级递阶航速调节的AUV平面运动航迹跟踪控制方法研究

孙浩楠 王磊

孙浩楠, 王磊. 基于三级递阶航速调节的AUV平面运动航迹跟踪控制方法研究[J]. 水下无人系统学报, 2025, 33(3): 441-449 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0029
引用本文: 孙浩楠, 王磊. 基于三级递阶航速调节的AUV平面运动航迹跟踪控制方法研究[J]. 水下无人系统学报, 2025, 33(3): 441-449 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0029
SUN Haonan, WANG Lei. Trajectory Tracking Control Method for AUV Planar MotionBased on Three-Level Hierarchical Speed Regulation[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2025, 33(3): 441-449. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0029
Citation: SUN Haonan, WANG Lei. Trajectory Tracking Control Method for AUV Planar MotionBased on Three-Level Hierarchical Speed Regulation[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2025, 33(3): 441-449. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0029

基于三级递阶航速调节的AUV平面运动航迹跟踪控制方法研究

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0029
详细信息
    作者简介:

    孙浩楠(2001-), 男, 在读硕士, 主要研究方向为AUV运动控制与轨迹跟踪

  • 中图分类号: TJ630; U674.941

Trajectory Tracking Control Method for AUV Planar MotionBased on Three-Level Hierarchical Speed Regulation

  • 摘要: 针对自主水下航行器(AUV)水下运动时经常出现的航迹超调问题, 文中提出了一种融合自适应视线导引算法与三级递阶航速控制架构的协同控制策略,将航迹末端距离参数引入控制决策, 通过三级递阶控制策略实现航速的动态分配。仿真结果验证了基于三级递阶控制策略的动态航速调节机制的有效性, 通过实时计算AUV与期望航迹段终点的距离偏差, 控制器能够在大曲率转向需求触发前, 主动实施分级减速策略, 从而有效抑制因动量累积引发的轨迹偏移现象。对比航向航速双闭环算法, 在相同的轨迹下, 文中方法超调量减少了34.15%, 使得AUV在转弯时仍能准确沿预定轨迹行驶, 显著减少轨迹偏差。

     

  • 图  1  水下航行器路径跟踪控制策略系统框图

    Figure  1.  Block diagram of the path tracking control strategy system for underwater vehiclese

    图  2  LOS导引法原理图

    Figure  2.  LOS schematic diagram

    图  3  三级递阶航速调节控制算法流程图

    Figure  3.  Flow chart of three-level hierarchical speed loop control algorithm

    图  4  AUV轨迹跟踪控制框图

    Figure  4.  Block diagram of AUV trajectory tracking control

    图  5  AUV舵角控制器设计

    Figure  5.  Design of AUV rudder Angle controller

    图  6  舵角模糊PD控制器模糊规则曲面

    Figure  6.  Fuzzy regular surface of rudder angle fuzzy PD controller

    图  7  三级递阶航速控制与航向航速双闭环控制航迹跟踪仿真结果对比

    Figure  7.  Comparison of trajectory tracking simulation results between three-level hierarchical speed control and heading-speed double closed-loop control

    图  8  三级递阶航速控制与航向航速双闭环控制的航速-时间曲线

    Figure  8.  Speed-time curves of three-level hierarchical speed control and heading-speed double closed-loop control

    图  9  三级递阶航速控制与航向航速双闭环控制的航向角-时间曲线

    Figure  9.  Heading angle-time curves of three-level hierarchical speed control and heading-speed double closed-loop control

    表  1  AUV运动学参数及符号定义

    Table  1.   Kinematics parameters and symbol definition of AUV

    运动自由度 力与
    力矩
    线速度及
    角速度
    位置与姿
    态变量
    沿x轴方向平移(进退) X u x
    沿y轴方向平移(侧移) Y v y
    z轴方向转动(回转) N r $ \psi $
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    表  2  航向航速双闭环控制的舵角PD与航速PID控制器系数

    Table  2.   Rudder angle PD controller coefficient and speed PID controller coefficient under the heading-speed double closed-loop control

    Kp Ki Kd
    舵角PD控制器 0.1579 1.2481
    航速PID控制器 11.7015 0.6988 22.5749
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    表  3  航迹跟踪控制性能指标

    Table  3.   Performance indicators of track tracking control

    控制方法 最大
    误差/m
    稳态
    误差/m
    航速调节
    时间/s
    三级递阶航速调节控制 4.656 0.08 147
    航向航速双闭环航速控制 7.071 0.09 119
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-02-24
  • 修回日期:  2025-04-13
  • 录用日期:  2025-04-24
  • 网络出版日期:  2025-05-26

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