12、无速度测量的自主水下航行器有限时间跟踪控制

无速度测量的自主水下航行器有限时间跟踪控制

1. 背景与问题提出

在自主水下航行器（AUV）的跟踪控制领域，许多全状态反馈跟踪控制器被开发出来。这些控制器通常假设AUV的平移和角速度能被多普勒测速仪（DVL）精确测量，利用速度信号可减少超调并改善瞬态响应。然而，在水下环境中精确测量速度非常困难。

在速度估计方面，已有一些速度观测器用于AUV的跟踪控制，但这些文献中的估计速度大多只能实现渐近收敛，即速度估计误差随时间趋于无穷时收敛到零。为提高收敛速度，设计了高增益观测器，但大增益系数会导致系统输出振荡。虽然有有限时间终端滑模观测器被提出并应用于AUV，但缺乏在减少抖振前提下提高收敛速度的有效策略。

此外，AUV动力学具有高度非线性，内部模型不确定性不可忽视，这使得建立精确的AUV模型变得困难。一些跟踪控制器依赖于AUV速度可精确测量的假设，且现有设计大多只能实现渐近收敛。因此，设计一种能同时实现有限时间速度观测和有限时间跟踪控制的解决方案仍是一个开放问题。

2. 主要贡献

为解决上述问题，提出了一种考虑未知速度测量、内部模型不确定性和外部干扰的有限时间跟踪方法，主要贡献如下：
- 有限时间速度观测器设计 ：设计了一种快速终端滑模观测器来估计AUV的速度，并构建了其有限时间收敛条件。与高增益观测器相比，该观测器能使速度估计误差在有限时间内收敛到零，且其可调分数阶函数可提高收敛速度。
- 有限时间跟踪控制器设计 ：基于操作员的跟踪任务和观测器的估计速度，开发了一种自适应非奇异快速终端滑模（A - NFTSM）跟踪控制器，能在有限时间内驱动AUV到达