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.1673-4785.201210058 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/doi/CNKI:23-1538/TP.20131107.1716.002.html 基于四元数的欠驱动AUV的镇定控制设计 吴琪，李晔 (哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨150001) 摘要：镇定控制是指在控制输入作用于水下机器人，使水下机器人能够从任意的初始位置和姿态到达，并且稳定 在设计的位置和姿态，在深潜救生艇的水下对接、定位跟踪中应用广泛。通过对欠驱动AUV的六自由度空间运动方 程和轨迹方程简化，采用四元数方法进行了模型变换，提出了一种具有4个控制输人的连续时变镇定控制律，证明 了提出的控制律的收敛性，并且进行了镇定仿真实验演示。仿真结果表明，控制律是有效的，并且能够在任意初始 条件下实现镇定控制。 关键词：智能水下机器人：镇定控制：三维：轨迹：线性控制系统：时变系统：运动控制：仿真 中图分类号：TP24文献标志码：A文章编号：1673-4785(2014)02-0186-06 中文引用格式：吴琪，李晔.基于四元数的欠驱动AUV的镇定控制设计[J].智能系统学报，2014,9(2)：186-191. 英文引用格式：WUQi,LlYe.Stabilization design of underactuated AUV based on quaternion[J].CAAI Transactions on Intelli- gent Systems,.2014,9(2):186-191. Stabilization design of underactuated AUV based on quaternion WU Qi,LI Ye Clledge of Shipbuilding Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China) Abstract:Stabilization control aims at stabilizing the AUV to the designed position and attitude from any initial po- sition under the controlling input.Stabilization is widely used in the abutment of deep-water submarines and location tracking.This paper describes a new time-variable stabilization law with four inputs which was designed based on the simplification of the 6-DOF (degree of freedom)space motion and trace equations of an underactuated AUV and the conversion of the model which was realized by quaternion.The control trial was done to prove that the con- trol law was convergent.The simulation results prove that the control method is effective and the stabilization can be achieved under any initial conditions. Keywords:autonomous underwater vehicles:stabilization:three dimensional:trajectories:linear control systems: time varying systems;motion control;simulation 智能水下机器人(autonomous underwater vehicle, 源采样、海底地形勘测、沉物打捞、地震地热活动监 AUV)作为船舶与海洋工程和机器人技术的学科交叉测、海洋环境监测等。在AUV进行作业任务的过程 领域，得到了世界各国的广泛重视。AUV在军事上 中，轨迹跟踪能力是必不可少的技术条件之一。尤其 可广泛应用于水域侦查、中继通讯、区域探雷、智能攻 是在执行海区搜索、海洋测绘等任务的时候，轨迹跟 击等：在民用方面，可用于海底生物资源探查、矿产资 踪的精度直接影响到区域覆盖和探测数据的完整 性-2)。文献[3]采用微分同胚变化进行了二维平面 收稿日期：2012-10-27.网络出版日期：2013-11-07. 的水面无人艇的慎定控制研究，引进扩大形式函数8 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51279221,51179035)：黑龙江 省自然科学基金资助项目(E201121). 进行了二维镇定的证明，仿真结果表明可以实现无人 通信作者：吴琪.E-mail:wugi0609@163.com. 艇的镇定控制。本文基于文献[3]方法，针对欠驱动第 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⁃４７８５．２０１２１００５８ 网络出版地址：ｈｔｔｐ： ／ ／ ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ ／ ｋｃｍｓ／ ｄｏｉ ／ ＣＮＫＩ：２３⁃１５３８ ／ ＴＰ．２０１３１１０７．１７１６．００２．ｈｔｍｌ 基于四元数的欠驱动 ＡＵＶ 的镇定控制设计 吴琪， 李晔 （哈尔滨工程大学 船舶工程学院，黑龙江 哈尔滨 １５０００１） 摘 要：镇定控制是指在控制输入作用于水下机器人，使水下机器人能够从任意的初始位置和姿态到达，并且稳定 在设计的位置和姿态，在深潜救生艇的水下对接、定位跟踪中应用广泛。 通过对欠驱动 ＡＵＶ 的六自由度空间运动方 程和轨迹方程简化，采用四元数方法进行了模型变换，提出了一种具有 ４ 个控制输入的连续时变镇定控制律，证明 了提出的控制律的收敛性，并且进行了镇定仿真实验演示。 仿真结果表明，控制律是有效的，并且能够在任意初始 条件下实现镇定控制。 关键词：智能水下机器人；镇定控制；三维；轨迹；线性控制系统；时变系统；运动控制；仿真 中图分类号： ＴＰ２４ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３⁃４７８５（２０１４）０２⁃０１８６⁃０６ 中文引用格式：吴琪， 李晔． 基于四元数的欠驱动 ＡＵＶ 的镇定控制设计［Ｊ］． 智能系统学报， ２０１４， ９（２）： １８６⁃１９１． 英文引用格式：ＷＵ Ｑｉ， ＬＩ Ｙｅ． Ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｕｎｄｅｒａｃｔｕａｔｅｄ ＡＵＶ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｑｕａｔｅｒｎｉｏｎ［ Ｊ］． ＣＡＡＩ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉ⁃ ｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ， ２０１４， ９（２）： １８６⁃１９１． Ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｕｎｄｅｒａｃｔｕａｔｅｄ ＡＵＶ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｑｕａｔｅｒｎｉｏｎ ＷＵ Ｑｉ， ＬＩ Ｙｅ （Ｃｌｌｅｄｇｅ ｏｆ Ｓｈｉｐｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈａｒｂｉｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｈａｒｂｉｎ １５０００１， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｉｍｓ ａｔ ｓｔａｂｉｌｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ＡＵＶ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ａｔｔｉｔｕｄｅ ｆｒｏｍ ａｎｙ ｉｎｉｔｉａｌ ｐｏ⁃ ｓｉｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｉｎｐｕｔ． Ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ａｂｕｔｍｅｎｔ ｏｆ ｄｅｅｐ⁃ｗａｔｅｒ ｓｕｂｍａｒｉｎｅｓ ａｎｄ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｔｒａｃｋｉｎｇ． Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ａ ｎｅｗ ｔｉｍｅ⁃ｖａｒｉａｂｌｅ ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｌａｗ ｗｉｔｈ ｆｏｕｒ ｉｎｐｕｔｓ ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｉｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ６⁃ＤＯＦ （ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｆｒｅｅｄｏｍ） ｓｐａｃｅ ｍｏｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｒａｃｅ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ｏｆ ａｎ ｕｎｄｅｒａｃｔｕａｔｅｄ ＡＵＶ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｂｙ ｑｕａｔｅｒｎｉｏｎ． Ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｒｉａｌ ｗａｓ ｄｏｎｅ ｔｏ ｐｒｏｖｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｏｎ⁃ ｔｒｏｌ ｌａｗ ｗａｓ ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｔ． Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｐｒｏｖｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｃａｎ ｂｅ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｕｎｄｅｒ ａｎｙ ｉｎｉｔｉａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｖｅｈｉｃｌｅｓ； ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ； ｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ； ｔｒａｊｅｃｔｏｒｉｅｓ； ｌｉｎｅａｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍｓ； ｔｉｍｅ ｖａｒｙｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ； ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ； ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 收稿日期：２０１２⁃１０⁃２７． 网络出版日期：２０１３⁃１１⁃０７． 基金项目：国家自然科学基金资助项目（ ５１２７９２２１，５１１７９０３５）；黑龙江 省自然科学基金资助项目（Ｅ２０１１２１）． 通信作者：吴琪．Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｗｕｑｉ０６０９＠ １６３．ｃｏｍ． 智能水下机器人（ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｖｅｈｉｃｌｅ， ＡＵＶ）作为船舶与海洋工程和机器人技术的学科交叉 领域，得到了世界各国的广泛重视。 ＡＵＶ 在军事上 可广泛应用于水域侦查、中继通讯、区域探雷、智能攻 击等；在民用方面，可用于海底生物资源探查、矿产资 源采样、海底地形勘测、沉物打捞、地震地热活动监 测、海洋环境监测等。 在 ＡＵＶ 进行作业任务的过程 中，轨迹跟踪能力是必不可少的技术条件之一。 尤其 是在执行海区搜索、海洋测绘等任务的时候，轨迹跟 踪的精度直接影响到区域覆盖和探测数据的完整 性［１－２］ 。 文献［３］采用微分同胚变化进行了二维平面 的水面无人艇的镇定控制研究，引进扩大形式函数 δ ａ λ 进行了二维镇定的证明，仿真结果表明可以实现无人 艇的镇定控制。 本文基于文献［３］方法，针对欠驱动