·206· 智能系统学报 第11卷 向跟踪出现反向，导致纵向速度出现负值，即倒退行 即使在300~350s出现重大未知扰动，但位姿和速 进，这并不符合轨迹跟踪控制要求。总之，以上跟踪 度跟踪响应平滑，未出现速度跳变和推进器饱和，充 控制结果充分体现了本文控制器的有效性和鲁棒性。 分体现了该控制器的强鲁棒性。而之前文献中未对 图5为欠驱动AUV跟踪具有时变速度的正弦曲 航行器航向跟踪控制给出理论分析设计，无法保证 线。同样在具有较大初始误差条件下，本文控制器的 航向跟踪控制，在该实验中得到充分论证。以上跟 跟踪控制效果，较文献[24]中方法相比，明显具有更 踪控制实验结果，充分体现了欠驱动AUV即使存在 好的动态响应和足够充分小的跟踪误差，如图6~8。 较大初始误差、系统模型不准确、未知外界扰动以及 100 控制输入和速度约束情况，本文控制器仍然能够实 60 20 现全局轨迹跟踪控制，满足实际工程应用需求。 -20 参考轨迹 -60 本这控制器 -…文献24控制器 5结束语 -100 0 100200 300400500600 本文针对欠驱动AUV存在较大初始误差、系统 x/m 建模参数不准确、未知外界扰动以及控制输入和速度 图5正弦轨迹跟踪 约束等问题，采用类似反步法设计过程，提出具有有 Fig.5 Sinusoidal trajectory-tracking 界自适应估计的无抖振滑模控制器，解决了常规反步 20 一本文控制器--·文献24控制器 法中因大初始误差引起速度跳变问题，避免了推进器 -20 饱和，满足了控制输入和速度约束条件。而且，针对 100200300400500600 50 t/s 文献[24]中滑模控制器无法保证航向跟踪控制的缺 陷，设计了高阶积分滑模面，实现了跟踪误差控制系 -50 0100200300400500600 统的全局一致有界性。最后，基于Lyapunov稳定性 10 t/s 理论给出了完整且严谨的理论分析证明，并在仿真对 -------- 比实验中加以验证，充分体现了本文控制器的有效性 10 100200300400500600 和强鲁棒性，能更好地适用于实际工程应用，但本文 图6位置和航向跟踪误差 仅设计了平面控制器，未来工作需进一步扩展到欠驱 Fig.6 Tracking errors of position and orientation 动AUV的三维空间轨迹跟踪控制。 一本文控制器--·文献24]控制器 参考文献： 0 -5 [1]BIAN Xingian,YAN Zheping,CHEN Tao,et al.Mission 0 100200300400500600 management and control of BSA-AUV for ocean survey[J]. 2 0 Y Ocean engineering,2012,55:161-174. [2]徐玉如，肖坤.智能海洋机器人技术进展[J].自动化学 0 100200300400500600 2 1/s 报，2007,33(5)：518-521. 0 XU Yuru,XIAO Kun.Technology development of autono- mous ocean vehicle[J].Acta automatica sinica,2007,33 20 100200300400500600 (5):518-521 图7速度跟踪响应曲线 [3]王奎民.主要海洋环境因素对水下航行器航行影响分析 Fig.7 Response curves of velocity-tracking [J].智能系统学报，2015,10(2)：316-323 10B×10 WANG Kuimin.Influence of main ocean environments on 本文控制器--·文献24]控制器 5k- the navigation of underwater vehicles[J].CAAI transactions 0 on intelligent systems,2015,10(2):316-323. [4]REYHANNOGLU M,VAN DER SCHAFT A,MCCLAM- 106 100200300400500600 ROCH N H,et al.Dynamics and control of a class of un- t/s deractuated mechanical systems[J].IEEE transactions on 10×10 automatic control,1999,44(9):1663-1671. [5]REYHANOGLU M.Exponential stabilization of an underac- -5 tuated autonomous surface vessel[].Automatica,1997,33 100200300400500600 t/s (12):2249-2254. 图8控制输入响应曲线 [6]AGUIAR A P,HESPANHA J P.Trajectory tracking and Fig.8 Response curves of control inputs path following of underactuated autonomous vehicles with向跟踪出现反向，导致纵向速度出现负值，即倒退行 进，这并不符合轨迹跟踪控制要求。 总之，以上跟踪 控制结果充分体现了本文控制器的有效性和鲁棒性。 图 ５ 为欠驱动 ＡＵＶ 跟踪具有时变速度的正弦曲 线。 同样在具有较大初始误差条件下，本文控制器的 跟踪控制效果，较文献［２４］中方法相比，明显具有更 好的动态响应和足够充分小的跟踪误差，如图 ６～８。 图 ５ 正弦轨迹跟踪 Ｆｉｇ．５ Ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ⁃ｔｒａｃｋｉｎｇ 图 ６ 位置和航向跟踪误差 Ｆｉｇ．６ Ｔｒａｃｋｉｎｇ ｅｒｒｏｒｓ ｏｆ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ 图 ７ 速度跟踪响应曲线 Ｆｉｇ．７ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｖｅｌｏｃｉｔｙ⁃ｔｒａｃｋｉｎｇ 图 ８ 控制输入响应曲线 Ｆｉｇ．８ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎｐｕｔｓ 即使在 ３００～３５０ ｓ 出现重大未知扰动，但位姿和速 度跟踪响应平滑，未出现速度跳变和推进器饱和，充 分体现了该控制器的强鲁棒性。 而之前文献中未对 航行器航向跟踪控制给出理论分析设计，无法保证 航向跟踪控制，在该实验中得到充分论证。 以上跟 踪控制实验结果，充分体现了欠驱动 ＡＵＶ 即使存在 较大初始误差、系统模型不准确、未知外界扰动以及 控制输入和速度约束情况，本文控制器仍然能够实 现全局轨迹跟踪控制，满足实际工程应用需求。 ５ 结束语 本文针对欠驱动 ＡＵＶ 存在较大初始误差、系统 建模参数不准确、未知外界扰动以及控制输入和速度 约束等问题，采用类似反步法设计过程，提出具有有 界自适应估计的无抖振滑模控制器，解决了常规反步 法中因大初始误差引起速度跳变问题，避免了推进器 饱和，满足了控制输入和速度约束条件。 而且，针对 文献［２４］中滑模控制器无法保证航向跟踪控制的缺 陷，设计了高阶积分滑模面，实现了跟踪误差控制系 统的全局一致有界性。 最后，基于 Ｌｙａｐｕｎｏｖ 稳定性 理论给出了完整且严谨的理论分析证明，并在仿真对 比实验中加以验证，充分体现了本文控制器的有效性 和强鲁棒性，能更好地适用于实际工程应用，但本文 仅设计了平面控制器，未来工作需进一步扩展到欠驱 动 ＡＵＶ 的三维空间轨迹跟踪控制。 参考文献： ［１］ ＢＩＡＮ Ｘｉｎｑｉａｎ， ＹＡＮ Ｚｈｅｐｉｎｇ， ＣＨＥＮ Ｔａｏ， ｅｔ ａｌ． Ｍｉｓｓｉｏｎ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ＢＳＡ⁃ＡＵＶ ｆｏｒ ｏｃｅａｎ ｓｕｒｖｅｙ［ Ｊ］． Ｏｃｅａｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ２０１２， ５５： １６１⁃１７４． ［２］徐玉如， 肖坤． 智能海洋机器人技术进展［ Ｊ］． 自动化学 报， ２００７， ３３（５）： ５１８⁃５２１． ＸＵ Ｙｕｒｕ， ＸＩＡＯ Ｋｕｎ． Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａｕｔｏｎｏ⁃ ｍｏｕｓ ｏｃｅａｎ ｖｅｈｉｃｌｅ［ Ｊ］． Ａｃｔａ ａｕｔｏｍａｔｉｃａ ｓｉｎｉｃａ， ２００７， ３３ （５）： ５１８⁃５２１． ［３］王奎民． 主要海洋环境因素对水下航行器航行影响分析 ［Ｊ］． 智能系统学报， ２０１５， １０（２）： ３１６⁃３２３． ＷＡＮＧ Ｋｕｉｍｉｎ． Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｍａｉｎ ｏｃｅａｎ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ ｏｎ ｔｈｅ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｖｅｈｉｃｌｅｓ［Ｊ］． ＣＡＡＩ ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍｓ， ２０１５， １０（２）： ３１６⁃３２３． ［４］ ＲＥＹＨＡＮＮＯＧＬＵ Ｍ， ＶＡＮ ＤＥＲ ＳＣＨＡＦＴ Ａ， ＭＣＣＬＡＭ⁃ ＲＯＣＨ Ｎ Ｈ， ｅｔ ａｌ． Ｄｙｎａｍｉｃｓ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ａ ｃｌａｓｓ ｏｆ ｕｎ⁃ ｄｅｒａｃｔｕａｔｅｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ ［ Ｊ］． ＩＥＥＥ ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ， １９９９， ４４（９）： １６６３⁃１６７１． ［５］ＲＥＹＨＡＮＯＧＬＵ Ｍ． Ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌ ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ａｎ ｕｎｄｅｒａｃ⁃ ｔｕａｔｅｄ ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｓｕｒｆａｃｅ ｖｅｓｓｅｌ［Ｊ］． Ａｕｔｏｍａｔｉｃａ， １９９７， ３３ （１２）： ２２４９⁃２２５４． ［６］ ＡＧＵＩＡＲ Ａ Ｐ， ＨＥＳＰＡＮＨＡ Ｊ Ｐ． Ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ ｔｒａｃｋｉｎｇ ａｎｄ ｐａｔｈ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ ｏｆ ｕｎｄｅｒａｃｔｕａｔｅｄ ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｖｅｈｉｃｌｅｓ ｗｉｔｈ ·２０６· 智 能 系 统 学 报 第 １１ 卷