水下滑翔機滑模路徑跟蹤控制

(天津工業大學 機械工程學院 天津 300387)

海洋環境的復雜性、不可預知性和滑翔機自身模型的非線性對水下滑翔機的路徑跟蹤控制提出了較高的要求。目前水下滑翔機路徑跟蹤控制的主要方法有自抗擾控制[1]、模型參考控制[2]、滑模控制[3]等。現有文獻中針對滑翔機多目標點直線路徑跟蹤問題的考慮較少。本文在現有研究基礎上，針對水下滑翔機進行多直線目標路徑跟蹤控制。

一、水下滑翔機動力學建模

水下滑翔機PETREL-II 200是中國海洋大學孫秀軍團隊推出的淺海型混合驅動水下滑翔機，其坐標系賦予如圖1所示。滑翔機的動力學方程可以表達為

圖1 PETREL-II 200坐標系賦予

二、LOS導航與滑模控制器設計

(一)LOS導航設計

LOS導航是路徑跟蹤導航領域中應用廣泛的一種導航方法，該導航方法將航跡跟蹤控制問題轉換成一系列航向跟蹤控制問題。

滑翔機當前的位置點pc(xc,yc)由機載GPS傳感器獲取，目標路徑由N個目標點組成，滑翔機在跟蹤pkpk+1目標路徑時，位置點pc(xc,yc)，pk(xk,yk)，pk+1(xk+1,yk+1)作為LOS導航系統的輸入，則

(二)滑模控制器設計

定義滑翔機航向角誤差

針對滑翔機航向控制系統

其中，w(k)為過程噪聲，v(k)為測量噪聲，ψk+1為滑翔機實際航向輸出，f(*)與滑翔機動力學模型相關。結合滑翔機實際采樣與控制規律，控制方法采用基于趨近律的離散滑模控制。設定切換函數為

基于指數趨近律的離散趨近律為

s(k+1)=s(k)+T(-εsgn(s(k))-qs(k))

由公式(6)和(7)，得到控制律為

(三)路徑跟蹤控制

路徑跟蹤控制具體流程如圖2所示，目標點位置信息與滑翔機當前位置信息的差值作為控制系統的輸入，LOS導航算法得到滑翔機期望航向角，滑模控制器輸入滑翔機航向信息和期望航向信息，以得到航向控制舵角輸出。

圖2 路徑跟蹤控制原理圖

三、實驗與驗證

(一)仿真實驗

圖3 LOS導航控制軌跡

圖4 航向角

四、結論

(1)針對混合驅動水下滑翔機的非線性動力學模型和外界工作環境的隨機性，結合LOS導航提出水下滑翔機路徑跟蹤滑模控制器，該控制器能控制滑翔機實現穩定可靠的路徑跟蹤控制。

(2)通過設計滑模切換面使航向控制系統在受到參數攝動和外界干擾時具有不變性，提高了滑翔機航向控制過程中的魯棒性和可靠性。

【參考文獻】

[1]萬磊，張英浩，孫玉山，等.欠驅動智能水下機器人的自抗擾路徑跟蹤控制[J].上海交通大學學報,2014,48(12):1727-1738.

[2]張廣潔，嚴衛生，高劍.基于模型預測控制的欠驅動AUV直線路徑跟蹤[J].水下無人系統學報,2017,25(1):82-88.

[3]王璐，張利軍，王紅濱，等.非線性迭代滑模的欠驅動AUV路徑跟蹤控制[J].計算機工程與應用,2011,47(27):239-242.

[4]孫秀軍.混合驅動水下滑翔器動力學建模及運動控制研究[D].天津：天津大學,2011.