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面向欠驱动AUV的自适应LPV-MPC与NFTSM-ESO协同控制方法

张宇轩 严天宏 陈姝雯

张宇轩, 严天宏, 陈姝雯. 面向欠驱动AUV的自适应LPV-MPC与NFTSM-ESO协同控制方法[J]. 水下无人系统学报, 2026, 34(5): 1-14 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0067
引用本文: 张宇轩, 严天宏, 陈姝雯. 面向欠驱动AUV的自适应LPV-MPC与NFTSM-ESO协同控制方法[J]. 水下无人系统学报, 2026, 34(5): 1-14 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0067
ZHANG Yuxuan, YAN Tianhong, CHEN Shuwen. Adaptive LPV-MPC and NFTSM-ESO Cooperative Control Method for Underactuated AUV[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0067
Citation: ZHANG Yuxuan, YAN Tianhong, CHEN Shuwen. Adaptive LPV-MPC and NFTSM-ESO Cooperative Control Method for Underactuated AUV[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0067

面向欠驱动AUV的自适应LPV-MPC与NFTSM-ESO协同控制方法

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0067
详细信息
    通讯作者:

    严天宏(1971-), 男, 教授、硕导, 主要研究方向为装备制造与控制.

  • 中图分类号: TJ630.32; U674.941

Adaptive LPV-MPC and NFTSM-ESO Cooperative Control Method for Underactuated AUV

  • 摘要: 针对欠驱动自主水下航行器(AUV)在深度-航向跟踪与横滚姿态稳定过程中面临的横移/横滚无独立执行器、舵面耦合、输入约束以及时变海流扰动等问题, 提出一种融合自适应线性变参数模型预测控制(LPV-MPC)、非奇异快速终端滑模扩展状态观测器(NFTSM-ESO)与横滚-比例微分(Roll-PD)内环的协同控制方法。基于升沉舵、方向舵在横滚姿态下的有效舵效变化, 建立随横滚角调度的深度-横滚-航向LPV误差模型, 用以刻画横滚姿态对深度和航向通道的耦合影响。在此基础上, 设计误差-扰动双指标驱动的自适应LPV-MPC, 在舵角幅值、舵角变化率和横滚软约束下在线求解控制增量序列, 生成约束可行的舵角指令。进一步构造NFTSM-ESO对海流、波浪诱导力矩、水动力参数不确定性及未建模项形成的总扰动进行快速、平滑估计, 并将扰动估计作为前馈补偿与权重调度依据。横滚PD内环在方向舵通道内提供高带宽横滚阻尼补偿, 降低横滚-航向耦合对外环预测模型的影响。仿真结果及消融实验表明, 所提方法相较于标准MPC+LESO、固定权重LPV-MPC以及无横滚内环方案, 可降低深度误差、航向误差和横滚振荡, 并保持舵角约束可行性, 为欠驱动AUV在复杂扰动环境下的深度-航向协同控制提供一种可解释、实时性较强的控制框架。

     

  • 图  1  AUV坐标系与运动参数

    Figure  1.  AUV coordinate systems and motion parameters

    图  2  总体协同控制架构

    Figure  2.  Overall coordinated control architecture

    图  3  自适应权重调度机制

    Figure  3.  Adaptive Weight Scheduling Mechanism

    图  4  协同结构示意图

    Figure  4.  Schematic Diagram of the Collaborative Structure

    图  5  垂向扰动估计性能对比

    Figure  5.  Comparison of vertical disturbance estimation performance

    图  6  垂向扰动估计误差对比

    Figure  6.  Comparison of vertical disturbance estimation errors

    图  7  航向扰动估计性能对比

    Figure  7.  Comparison of course deviation estimation performance

    图  8  航向扰动估计误差对比

    Figure  8.  Comparison of course deviation estimation errors

    图  9  深度跟踪性能对比

    Figure  9.  Comparison of depth tracking performance

    图  10  深度跟踪误差对比

    Figure  10.  Comparison of depth tracking error

    图  11  航向跟踪性能对比

    Figure  11.  Comparison of heading tracking performance

    图  12  航向跟踪误差对比

    Figure  12.  Comparison of heading tracking error

    图  13  横滚姿态抑制效果对比

    Figure  13.  Comparison of roll attitude suppression performance

    图  14  自适应权重与横滚增益实时演变

    Figure  14.  Real-time evolution of adaptive weights and roll gain

    图  15  文中方法控制输入轨迹

    Figure  15.  Control input trajectory of the proposed method

    图  16  消融实验关键指标对比

    Figure  16.  Comparison of key parameters in ablation studies

    表  1  AUV运动参数与符号定义

    Table  1.   AUV motion parameters and symbol definitions

    参数 符号 参数 符号 参数 符号 参数 符号
    纵荡 $ x $ 横滚角 $ \phi $ 纵向线速度 $ u $ 横滚角速度 $ p $
    横荡 $ y $ 纵倾角 $ \theta $ 横向线速度 $ v $ 纵倾角速度 $ q $
    垂荡 $ {\textit{z}} $ 偏航角 $ \psi $ 垂向线速度 $ w $ 偏航角速度 $ r $
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    表  2  控制器参数设置

    Table  2.   Controller parameter settings

    参数符号数值
    预测时域$ {N}_{p} $20
    控制时域$ {N}_{c} $3
    基准状态权重$ {Q}_{0} $$ \text{diag}\left(200,1,10,1,200,1\right) $
    基准控制增量权重$ {R}_{0} $$ \text{diag}\left(1,1\right) $
    自适应权重范围$ {\lambda }_{Q},{\lambda }_{R} $$ \left[1.0,4.0\right] $, $ \left[1.0,6.0\right] $
    滑模面增益系数$ {\beta }_{1} $、$ {\beta }_{2} $3.0, 6.0
    NFTSM幂次因子$ \alpha $0.6
    Roll-PD增益$ K_{p}^{\phi },K_{d}^{\phi } $1.7, 0.5
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    表  3  扰动观测器性能对比

    Table  3.   Comparison of perturbation observer performance

    通道指标LESONFTSM-ESO改善幅度
    (降低)/%
    深度扰动RMSE/N0.1860.07161.8
    MAE/N0.1410.05263.1
    收敛时间/s1.640.7852.4
    估计误差 STD/N0.1180.04661.0
    航向扰动RMSE/(N·m)0.0530.02258.5
    MAE/(N·m)0.0410.01758.5
    相位滞后/s0.180.0572.2
    估计误差 STD/(N·m)0.0360.01558.3
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    表  4  自适应参数统计特性

    Table  4.   Statistical properties of adaptive parameters

    参数 最小值 最大值 均值 调节行为解析
    $ {\lambda }_{Q} $ 1.30 2.96 2.13 初始快速机动阶段显著增大, 以强化状态跟踪精度; 进入稳态后动态回落, 以降低不必要控制能量
    $ {\lambda }_{R} $ 1.12 1.36 1.24 整体保持相对平稳, 在扰动增强时适度增大, 以防止控制输入高频抖动
    $ {k}_{\text{roll}} $ 1.14 1.72 1.43 与横滚扰动强度相关, 在转向或侧向扰动增强时提高横滚阻尼能力
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    表  5  消融实验性能对比

    Table  5.   Comparison of ablation experiment performance

    方法 深度
    RMSE/m
    航向
    RMSE/(°)
    航向峰
    值误差/(°)
    横滚
    峰值/(°)
    横滚
    STD /(°)
    控制能量
    归一化
    M1: MPC+LESO 0.642 10.890 17.71 4.31 2.441 1.00
    M2: LPV-MPC+LESO 0.528 9.487 15.88 4.05 2.301 1.06
    M3: Adaptive LPV-MPC+LESO 0.467 8.863 14.76 3.92 2.204 1.09
    M4: Adaptive LPV-MPC+NFTSM-ESO 0.401 7.948 13.54 3.71 2.061 1.11
    M5: Adaptive LPV-MPC+NFTSM-ESO+Roll-PD 0.372 7.616 12.65 2.87 1.710 1.14
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    表  6  权重调度策略对比

    Table  6.   Comparison of Weighting Scheduling Strategies

    策略深度RMSE/m航向RMSE/(°)控制总变差舵角饱和次数说明
    固定权重0.4218.183.6211响应平稳但大误差阶段收敛较慢
    仅误差调度0.3897.843.9118跟踪改善但扰动阶段控制偏激进
    误差-扰动双指标调度0.3727.623.456兼顾跟踪精度、抗扰性和控制平滑性
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    表  7  实时计算时间统计

    Table  7.   Real-time calculation time statistics

    模块 平均
    时间/ms
    最大
    时间/ms
    占采样周
    期比例/%
    LPV参数更新与矩阵构造 0.12 0.31 1.55
    NFTSM-ESO更新 0.05 0.14 0.70
    自适应权重计算 0.03 0.08 0.40
    QP求解 1.26 4.73 23.65
    Roll-PD与饱和处理 0.01 0.03 0.15
    总计 1.47 5.29 26.45
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出版历程
  • 收稿日期:  2026-04-03
  • 修回日期:  2026-05-31
  • 录用日期:  2026-06-02
  • 网络出版日期:  2026-09-23
图(16) / 表(7)

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