30、自主水下航行器俯仰通道轨迹跟踪控制

自主水下航行器俯仰通道轨迹跟踪控制

1 引言

1.1 背景与动机

在海洋技术领域，自主水下航行器（AUV）是深入了解和探索水下环境的重要工具。由于其自主性，AUV在军事、海军、民用、科学研究、勘测以及石油和天然气等众多潜在应用中发挥着关键作用。然而，要实现这些潜在应用，AUV面临着诸多挑战：
- 系统具有高度非线性动力学特性。
- 存在非结构和结构不确定性。
- 模型参数依赖于水下环境条件。
- 水下环境中存在各种干扰。

这些挑战需要一种强大的控制策略。鲁棒控制器的目标是设计一种控制律，确保被控系统在模型动力学中存在不确定性、建模误差和未建模动态的情况下，仍能保证闭环稳定性和性能。由于AUV的建模复杂度高且运行环境不确定，它存在建模不准确的问题，包括未建模动态、建模误差、参数不确定性和外部干扰，这些统称为集中不确定性。因此，在集中干扰影响控制器性能之前，有必要估计并消除其影响。扩展状态观测器（ESO）能够将集中干扰视为扩展状态进行估计，而滑模控制（SMC）是一种有前景的鲁棒控制技术，对匹配的不确定性和干扰不敏感，能保证控制环的稳定性和控制器性能。但SMC控制律中的开关动作会导致抖振，且在进行鲁棒性分析之前需要已知不确定性的边界。本文提出了一种基于线性ESO的SMC控制律，以解决集中干扰下的轨迹跟踪控制问题。

1.2 相关工作

ESO和SMC在许多实时应用中都有应用，例如：
- 电机控制 ：在永磁同步电机的速度控制问题中，采用ESO - 基于的SMC控制律来抑制外部干扰，确保电机的动态性能；对于两惯性系统问题，提出了基于ESO的自适应积分SMC控制