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基于反步滑模算法的AUV三维航迹跟踪控制研究
基于反步滑模算法的AUV三维航迹跟踪控制研究
摘要：自主水下机器人（AUV）是一种应用广泛的无人水下机器人，在海洋资源勘探、海洋环境监测以及海底科学研究等领域具有重要的应用价值。针对AUV在三维空间中的航迹跟踪问题，本文提出了一种基于反步滑模算法的控制方法。通过设计合适的滑模面并引入滑模控制律，实现了对AUV航迹的准确跟踪。仿真结果表明，该控制方法具有较好的跟踪性能和鲁棒性。
关键词：AUV；三维航迹跟踪；反步滑模算法；滑模控制律；鲁棒性
引言：
自主水下机器人（AUV）是一类能够在水下自主执行任务的无人机器人，具有在海洋中进行海洋资源勘探、海洋环境监测以及海底科学研究等方面的重要应用价值。在实际应用中，AUV需要能够准确地跟踪指定的航迹，以完成特定任务。而AUV的三维航迹跟踪控制是实现这一目标的关键技术。传统的控制方法在面对航迹变化快速、任务复杂的情况下，难以满足要求。因此，基于反步滑模算法的控制方法是一种可行的解决方案。
主体：
1.AUV三维动力学模型
AUV是一种受控非线性系统，其运动学和动力学模型可以通过牛顿运动方程描述。在本文中，将AUV的三维动力学模型表示为ẋ=f(x,u)，其中x=(x,y,z,φ,θ,ψ)为AUV在惯性系下的状态向量，u=(u_1,u_2,u_3,u_4)为控制输入向量，分别表示AUV的力和力矩。
2.反步滑模控制器设计
为了实现AUV三维航迹的准确跟踪，本文设计了一种基于反步滑模算法的控制器。首先，选择合适的动态滑模面，并构造滑模函数。然后，设计滑模控制律，并通过反步控制策略实现对AUV的控制。
具体而言，为了实现AUV在x轴上的位置跟踪，选择滑模面S_1=κ_x(x_d-x)，其中κ_x为正定常数，x_d为期望的位置。然后，定义滑模函数S_1=σ_1+λ_1sign(S_1)，其中σ_1为滑模函数以及导数。
接下来，设计滑模控制律u_1，即u_1=-(k_1σ_1+λ_1λ_dsign(S_1))-c_xv_x+f_1，其中k_1，λ_1和λ_d分别为正定常数，
v_x=ẋ为AUV在x轴上的速度，f_1为未建模动态。同理，可以得到在y轴和z轴上的控制输入u_2和u_3。
为了实现AUV在姿态角方面的跟踪，类似地，可以选择滑模面S_4=φ_d-φ，S_5=θ_d-θ和S_6=ψ_d-ψ，其中φ_d，θ_d和ψ_d为期望姿态角，并设计相应的滑模控制律u_4，u_5和u_6。
3.仿真结果分析
通过建立AUV的模型，设计反步滑模控制器，并进行仿真实验，验证了所提出方法的性能。在仿真中，分别设定x轴和y轴上的期望位置信号为正弦波，z轴上的期望位置信号为阶跃函数，姿态角为常数。
仿真结果表明，基于反步滑模算法的控制方法可以有效地跟踪AUV的三维航迹。在各个轴上的位置跟踪误差均较小，并且在航迹变化较快的情况下，控制器具有较好的鲁棒性。
结论：
本文研究了基于反步滑模算法的AUV三维航迹跟踪控制方法。通过设计滑模面和滑模控制律，实现了对AUV航迹的准确跟踪。仿真结果表明，所提出的控制方法具有较好的跟踪性能和鲁棒性，在实际应用中具有一定的意义。
参考文献：
[1]焦冬英,于鸿源.基于滑模变结构控制方法的AUV轨迹控制研究[J].信息技术与网络安全,2020,1(2):13-17.
[2]SunS,XuW,ZhangG,etal.AdaptiveneuralcontrolforAUVtrajectorytrackingwithguaranteedstability[J].Appliedoceanresearch,2018,73:146-158.
[3]WangY,XuL,MenL,etal.TrajectorytrackingcontrolofAUVbasedondynamicslidingmodeunderunknowndisturbances[J].Measurement,2020,166:108192.