15、水下机器人xPC-Target嵌入式系统控制设计与测试

水下机器人xPC-Target嵌入式系统控制设计与测试

1. 控制器设计

为减少开环测试中顶部控制面的振荡响应，需要一个闭环控制系统。其中，推进器速度（使用PID控制器）控制浪涌位置，顶部控制面角度（用 $j$ 表示）控制航向角。

在水下机器人控制器的开发中，有传统的线性控制方案和现代的智能控制方案。由于控制要求复杂，线性控制器难以令人满意地控制车辆。而包括神经网络（NN）、滑模控制（SMC）和模糊逻辑控制（FLC）在内的智能控制方法更具鲁棒性，能适应车辆的水动力不确定性，且对干扰有出色的免疫力。因此，选择了滑模控制（SMC）。

通过使用xPC - Target模块集，复杂的SMC方案可轻松在水下机器人平台上实现。为简化表示，定义跟踪的标量度量：
[s = \dot{\tilde{j}} + l\tilde{j}]
其中，(\tilde{j} = j - j_d) 是跟踪角度误差，即顶部控制面角度的误差，(l > 0) 是控制带宽。当 (s = 0) 时，该表达式描述了具有指数动态的滑模面：
[\tilde{j}(t) = \exp[-l(t - t_0)]\tilde{j}(t_0)]
这确保了跟踪误差 (\tilde{j}(t)) 在 (s = 0)（滑模模式）时在无限时间内收敛到零。对于任何初始条件 (\tilde{j}(t_0))，误差轨迹在有限时间内到达时变滑模面，然后沿该面指数地向 (\tilde{j}(t) = 0) 滑动。因此，控制目标简化为找到一个控制律，确保 (\lim_{t \to \infty} s(t) = 0)。

在设计滑模控制律时，定义一个虚拟参考 (j_r) 满足：
[\d