第9卷第2期 智能系统学报 Vol.9 No.2 2014年4月 CAAI Transactions on Intelligent Systems Apr.2014 D0I:10.3969/j.issn.1673-4785.201306022 网络出版t地址：http:/www.cmki.net/kcms/doi/10.3969/j.issn.1673-4785.201306022.html 生物启发AUV三维轨迹跟踪控制算法 朱大奇，张光磊，李蓉 (上海海事大学水下机器人与智能系统实验室，上海201306) 摘要：针对水下机器人轨迹跟踪控制的速度跳变问题，提出了一种基于生物启发神经动力学模型的自治水下机器 人(AUV)三维轨迹跟踪控制算法。利用生物启发神经动力学模型的平滑、有界输出的特性，构造简单的中间虚拟变 量，克服了海流影响下AUV反步轨迹跟踪控制的速度跳变问题，并且控制效果能够达到全局渐近稳定、输出结果连 续平滑。利用Lyapunov函数证明了所提方法的稳定性。将该方法对“海筝二号”水下机器人进行三维轨迹跟踪控制 的仿真实验，仿真结果表明了所提控制方法的有效性。 关键词：自治水下机器人：生物启发模型：反步轨迹跟踪：速度跳变 中图分类号：TP27文献标志码：A文章编号：1673-4785(2014)02-0180-06 中文引用格式：朱大奇，张光磊，李蓉.生物启发AUV三维轨迹跟踪控制算法[J].智能系统学报，2014,9(2)：180-185. 英文引用格式：ZHU Daqi,ZHANG Guanglei,LI Rong.Biological inspired three-dimensional tracking control algorithm for auton- omous underwater vehicles[J].CAAI Transactions on Intelligent Systems,2014,9(2):180-185. Biological inspired three-dimensional tracking control algorithm for autonomous underwater vehicles ZHU Daqi,ZHANG Guanglei,LI Rong (Laboratory of Underwater Vehicles and Intelligent Systems,Shanghai Maritime University,Shanghai 201306,China) Abstract:To deal with the speed jump problem with the traditional backstepping tracking controller,a three-dimen- sional tracking control algorithm on the basis of the bio-inspired dynamic model of the autonomous underwater vehi- cle (AUV)for ocean currents is proposed in this paper.Because of the smoothness and boundedness of the output from the bio-inspired model,a simple virtual variable is constructed by using the bio-inspired model to make the re- sults of the control global asymptotically stable and the output continuously smooth.As a result,the speed jump problem can be solved.The stability of the system can be demonstrated by the Lyapunov function.Finally,this con- trol method is applied to simulate the three-dimensional trajectory tracking control on the HAIZHNG II AUV.The correctness and effectiveness of the proposed control law are verified by the simulation. Keywords:autonomous underwater vehicles;bio-inspired model;backstepping tracking;speed jump 自治水下机器人(AUV)作为海洋开发的一项 反步控制(backstepping control)[)是一种设 重要工具，近年来取得了长足的发展。由于自治水 计简单而又满足系统稳定的控制方法，它首先应 下机器人欠驱动、强耦合、非线性等一系列特性，再用于地面移动机器人轨迹跟踪控制4]，近年来， 加上水下作业环境比陆地上更为复杂，其轨迹跟踪 反步方法被进一步应用到AUV的轨迹跟踪控 控制研究仍然十分具有挑战性] 制6]中，通常情况下是将反步控制与其他方法集 成。如L.Lionel等f)将反步控制与Lyapunov函 收稿日期：2013-06-22.网络出版日期：2014-03-31. 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51075257,51279098)：上海市 数结合用于AUV非线性路径跟踪控制：高剑 科委创新行动计划资助项目(13510721400)：上海市教委科 研创新研究重点资助项目(137Z123) 等[]利用级联系统理论与反步控制结合来研究 通信作者：朱大奇.E-mail:zdq367@aliyun.com 欠驱动AUV水平面轨迹跟踪策略；廖煜雷等[]第 ９ 卷第 ２ 期 智 能 系 统 学 报 Ｖｏｌ．９ №．２ ２０１４ 年 ４ 月 ＣＡＡＩ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ａｐｒ． ２０１４ ＤＯＩ：１０．３９６９ ／ ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３⁃４７８５．２０１３０６０２２ 网络出版地址：ｈｔｔｐ： ／ ／ ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ ／ ｋｃｍｓ／ ｄｏｉ ／ １０．３９６９ ／ ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３⁃４７８５．２０１３０６０２２．ｈｔｍｌ 生物启发 ＡＵＶ 三维轨迹跟踪控制算法 朱大奇，张光磊，李蓉 （上海海事大学 水下机器人与智能系统实验室，上海 ２０１３０６） 摘 要：针对水下机器人轨迹跟踪控制的速度跳变问题，提出了一种基于生物启发神经动力学模型的自治水下机器 人（ＡＵＶ）三维轨迹跟踪控制算法。 利用生物启发神经动力学模型的平滑、有界输出的特性，构造简单的中间虚拟变 量，克服了海流影响下 ＡＵＶ 反步轨迹跟踪控制的速度跳变问题，并且控制效果能够达到全局渐近稳定、输出结果连 续平滑。 利用 Ｌｙａｐｕｎｏｖ 函数证明了所提方法的稳定性。 将该方法对“海筝二号”水下机器人进行三维轨迹跟踪控制 的仿真实验，仿真结果表明了所提控制方法的有效性。 关键词：自治水下机器人；生物启发模型；反步轨迹跟踪；速度跳变 中图分类号： ＴＰ２７ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３⁃４７８５（２０１４）０２⁃０１８０⁃０６ 中文引用格式：朱大奇，张光磊，李蓉． 生物启发 ＡＵＶ 三维轨迹跟踪控制算法［Ｊ］． 智能系统学报， ２０１４， ９（２）： １８０⁃１８５． 英文引用格式：ＺＨＵ Ｄａｑｉ， ＺＨＡＮＧ Ｇｕａｎｇｌｅｉ， ＬＩ Ｒｏｎｇ． Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｉｎｓｐｉｒｅｄ ｔｈｒｅｅ⁃ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ａｕｔｏｎ⁃ ｏｍｏｕｓ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｖｅｈｉｃｌｅｓ［Ｊ］． ＣＡＡＩ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ， ２０１４， ９（２）： １８０⁃１８５． Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｉｎｓｐｉｒｅｄ ｔｈｒｅｅ⁃ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｖｅｈｉｃｌｅｓ ＺＨＵ Ｄａｑｉ， ＺＨＡＮＧ Ｇｕａｎｇｌｅｉ， ＬＩ Ｒｏｎｇ （Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ ａｎｄ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ， Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｍａｒｉｔｉｍｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１３０６， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｄｅａｌ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ｊｕｍｐ ｐｒｏｂｌｅｍ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｂａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ， ａ ｔｈｒｅｅ⁃ｄｉｍｅｎ⁃ ｓｉｏｎａｌ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂｉｏ⁃ｉｎｓｐｉｒｅｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｖｅｈｉ⁃ ｃｌｅ （ＡＵＶ） ｆｏｒ ｏｃｅａｎ ｃｕｒｒｅｎｔｓ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ． Ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｍｏｏｔｈｎｅｓｓ ａｎｄ ｂｏｕｎｄｅｄｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｂｉｏ⁃ｉｎｓｐｉｒｅｄ ｍｏｄｅｌ， ａ ｓｉｍｐｌｅ ｖｉｒｔｕａｌ ｖａｒｉａｂｌｅ ｉｓ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｂｉｏ⁃ｉｎｓｐｉｒｅｄ ｍｏｄｅｌ ｔｏ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｒｅ⁃ ｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｇｌｏｂａｌ ａｓｙｍｐｔｏｔｉｃａｌｌｙ ｓｔａｂｌｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ ｓｍｏｏｔｈ． Ａｓ ａ ｒｅｓｕｌｔ， ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ｊｕｍｐ ｐｒｏｂｌｅｍ ｃａｎ ｂｅ ｓｏｌｖｅｄ． Ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｂｅ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｌｙａｐｕｎｏｖ ｆｕｎｃｔｉｏｎ． Ｆｉｎａｌｌｙ， ｔｈｉｓ ｃｏｎ⁃ ｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ⁃ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｎ ｔｈｅ ＨＡＩＺＨＮＧ ＩＩ ＡＵＶ． Ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｌａｗ ａｒｅ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｖｅｈｉｃｌｅｓ； ｂｉｏ⁃ｉｎｓｐｉｒｅｄ ｍｏｄｅｌ； ｂａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇ ｔｒａｃｋｉｎｇ； ｓｐｅｅｄ ｊｕｍｐ 收稿日期：２０１３⁃０６⁃２２． 网络出版日期：２０１４⁃０３⁃３１． 基金项目：国家自然科学基金资助项目（ ５１０７５２５７，５１２７９０９８）；上海市 科委创新行动计划资助项目（１３５１０７２１４００）；上海市教委科 研创新研究重点资助项目（１３ＺＺ１２３）． 通信作者：朱大奇． Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｚｄｑ３６７＠ ａｌｉｙｕｎ．ｃｏｍ． 自治水下机器人（ＡＵＶ） 作为海洋开发的一项 重要工具，近年来取得了长足的发展。 由于自治水 下机器人欠驱动、强耦合、非线性等一系列特性，再 加上水下作业环境比陆地上更为复杂，其轨迹跟踪 控制研究仍然十分具有挑战性［１⁃２］ 。 反步控制（ ｂａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ） ［ ３］ 是一种设 计简单而又满足系统稳定的控制方法，它首先应 用于地面移动机器人轨迹跟踪控制［ ４⁃５］ ，近年来， 反步方 法 被 进 一 步 应 用 到 ＡＵＶ 的 轨 迹 跟 踪 控 制［ ６］ 中，通常情况下是将反步控制与其他方法集 成。 如 Ｌ．Ｌｉｏｎｅｌ 等［ ７］ 将反步控制与 Ｌｙａｐｕｎｏｖ 函 数结 合 用 于 ＡＵＶ 非 线 性 路 径 跟 踪 控 制； 高 剑 等［ ８］ 利用级联系统理论与反步控制结合来研究 欠驱动 ＡＵＶ 水平面轨迹跟踪策略；廖煜雷等［ ９］