自主式無人水下航行器航向自適應滑模控制

趙賀偉，宋召青，于華國

(1.海軍航空工程學院，山東 煙臺 264001;2.中國人民解放軍92154部隊，山東 煙臺 264001）

自主式無人水下航行器航向自適應滑模控制

趙賀偉1，宋召青1，于華國2

(1.海軍航空工程學院，山東 煙臺 264001;2.中國人民解放軍92154部隊，山東 煙臺 264001）

無人水下航行器是未來水下戰場的重要武器裝備，對其運動控制的研究得到廣泛關注，其中航向控制的實現是研究的熱點問題。對無人水下航行器六自由度動力學方程進行簡化，得到橫向運動動力學方程，并將偏航角作為控制對象，采用滑模控制的方法實現對航向角的跟蹤控制，并引入自適應機制在線估計未知參數，減小參數不確定性對穩定性的影響。通過對控制算法的仿真，結果表明了控制器設計的正確性。

無人水下航行器;自適應;滑模;仿真

0 引言

無人水下航行器［1］(Unmanned Underwater Vehicle，UUV）作為未來水下信息戰、反潛掃雷、搜索探測和水下攻擊作戰平臺，在未來水下戰場中將起到至關重要的作用，因此越來越受到各國的廣泛關注，并有很多國家開展了研究工作。在多項研究熱點中，航行器的航向控制是其中較為重要的內容，航向控制對于航行器執行各種任務起著決定性作用，然而自主式無人水下航行器的數學模型是一種非線性高度強耦合模型，并且模型中存在未建模動態，探索有效的控制策略一直是眾多學者研究的目標。本文采用滑模控制來跟蹤控制航向角，并且結合自適應方法來在線估計未知參數，令UUV的航向控制達到較好效果。

1 UUV的數學模型

采用Fossen研究成果［2］中的六自由度的非線性動態模型，2個坐標系為慣性坐標系o-xoyozo和體坐標系b-xbybzb，假設如下:

1）UUV為深潛航行器，可以忽略海浪的影響;

2）UUV是左右舷對稱的細長形狀;

3）UUV的重心位于浮心正下方。

UUV 的運動方程［3］如下:

2 UUV航向的自適應滑模控制

通常情況下，將UUV的動態模型解耦為縱向運動模型和橫向運動模型，縱向運動變量包括u，w，q，n，d，θ，橫向運動變量包括 v，p，r，e，φ，ψ 。

2.1 橫向運動模型

其中Ω'為未建模動態項，通過滑模控制來實現存在未建模動態情況下航向角的跟蹤控制，并引入自適應機制來在線估計未知參數，提高滑模控制的性能。通過控制垂直舵 δr來實現對航向的控制［6］。

2.2 控制律設計

3 航向角控制仿真

圖1 控制輸入 (垂直舵角）曲線Fig.1 Control input(vertical rudder angle）curve

圖2 航向角跟蹤曲線Fig.2 The heading angle tracking curve

結果分析:對航向角的跟蹤控制，針對外界干擾，采用了滑模控制方法，利用其對外界干擾的不變性優點，在提高控制精度的同時需要較高的控制輸入量，因此引入自適應機制，在線估計不確定參數，降低參數不確定性對滑模控制的限制，提高滑模控制的性能。通過航向角跟蹤曲線，說明了控制律和自適應律設計的正確性。

4 結語

目前，自主式無人水下航行器的運動控制研究得到廣泛關注，而其航向的有效控制是其中重要的環節。由于水下航行器的動力學模型為強耦合非線性，模型中的參數變化不確定且存在未建模動態特性，而且其控制研究需要考慮海流因素的影響。對于航向控制的實現，采用滑模控制并引入自適應機制在線估計不確定參數的方法能夠得到理想的效果。對設計的控制算法進行仿真，可以看出偏航角的跟蹤效果比較理想，能夠滿足無人水下航行器在執行各項任務時對航向控制的要求。

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JIANG Xin-song，FENG Xi-sheng.Robot underwater［M］.Shenyang:Science and Technology Press of Liaoning，2000:56－59.

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［5］IVANA P，RAFAEL F.Adaptive control of a quadrotor with dynamic changes in the center of gravity［C］.The18th IFACWorld Congress Milano，2011，8.28 －9.2.

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GAO jian，XU De-min，LI Jun，et al.Adaptive backsteping sliding mode control of axial movement of autonomous underwater vehicle［J］.Journal of Northwestern Polytechnical University，2005，25(3）:553 －555.

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XU De-min.Automatic control system of the torpedo［M］.Xi'an:Journal of Northwestern Polytechnical University，2001:16－27.

Adaptive sliding mode control for course of autonomous unmanned underwater vehicle

ZHAO He-wei1，SONG Zhao-qing1，YU Hua-guo2
(1.Naval Aeronautical and Astronautical University，Yantai264001，China;2.No.92154 Unit of PLA，Yantai264001，China）

Unmanned Underwater Vehicle is important weaponry in underwater battlefield of future.Studying of motion control for UUV has been concerned.Achieving course control is the hot spot.Simplifying six degrees of freedom equations ofmotion of UUV，lateralmovement equations can be gained.Slidingmodel controlling is used for controlling heading angle and through that the adaptivemechanism work for estimating unknown parameter online，impact on stability is declined.The results of simulation clarify that the design of controller is right.

unmanned underwater vehicle;adaptive;slidemode;simulation

TG156

A

1672－7649(2014）05－0106－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.05.022

2013－05－08;

2013－08－14

海軍航空工程學院碩士研究生創新基金資助項目(20135584010）

趙賀偉(1985－），男，碩士研究生，助理工程師，研究方向為智能控制與應用，以及自適應控制。

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