文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.07.030
中文引用格式： 劉青，黃茹楠，陳勇，等. 水下航行器智能航向滑模控制[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43(7)：117-121.
英文引用格式： Liu Qing，Huang Runan，Chen Yong，et al. Intelligent sliding mode control for underwater vehicle[J].Application of Electronic Technique，2017，43(7)：117-121.
0 引言
水下航行器的航向控制是航行器路線控制最基本的內(nèi)容，是該控制領(lǐng)域中的一個(gè)重要研究課題[1]。本文所研究的水下航行器屬于自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)，由于其質(zhì)量和體積均較小，導(dǎo)致它對水下復(fù)雜環(huán)境的敏感度較強(qiáng)，極易受到各種外界干擾因素的影響，因而航向控制的穩(wěn)定性、響應(yīng)跟蹤過程的機(jī)動(dòng)性以及航向跟蹤的精度無法得到保證?；?或變結(jié)構(gòu))控制[2-3]由于其響應(yīng)速度快、抗干擾性能好及算法簡單等特點(diǎn)而受到了國內(nèi)外控制界的普遍重視。
為了消除外界干擾以及消弱滑?？刂茙淼亩墩?，實(shí)現(xiàn)航行器的精確的軌跡跟蹤控制，許多學(xué)者對其進(jìn)行了研究，目前主要的研究方法有自適應(yīng)方法[4]、干擾觀測器方法[5-7]和魯棒控制方法[8]。王林等人[9]基于backstepping方法結(jié)合自適應(yīng)方法與變結(jié)構(gòu)滑?？刂圃O(shè)計(jì)出航向控制器，借助Lyapunov函數(shù)證明了該控制器具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能,但沒有考慮到外界干擾力的影響。廖煜雷等人[10]為跟蹤參考航向設(shè)計(jì)了反演自適應(yīng)滑模控制器，在設(shè)計(jì)中考慮了舵機(jī)特性及建模誤差和環(huán)境干擾力的影響，但沒有考慮較大干擾產(chǎn)生時(shí)對跟蹤性能的影響。朱齊丹等人[11]利用反步法和滑模觀測器設(shè)計(jì)的航向控制器能夠?qū)崿F(xiàn)較好的航向跟蹤，但反步法設(shè)計(jì)過程中未對干擾觀測器未觀測到部分干擾進(jìn)行再補(bǔ)償，可能會(huì)引起跟蹤過程中產(chǎn)生的跟蹤不穩(wěn)定現(xiàn)象。
因此，為更好地消除外界干擾，提高航行器跟蹤控制精度，本文采用引入干擾觀測器的方法逼近外界干擾，并結(jié)合自適應(yīng)反演滑?？刂?/a>器[4，12-14]補(bǔ)償觀測器未觀測到的干擾，同時(shí)該控制系統(tǒng)可智能選取控制策略，通過判斷水流循環(huán)等外界干擾的程度，自動(dòng)選取合適的控制策略，最終消除外界干擾，達(dá)到穩(wěn)定、快速跟蹤的目的。
1 系統(tǒng)描述
本文中所研究的水下航行器屬于無舵機(jī)水下航行器，且轉(zhuǎn)向半徑要遠(yuǎn)小于有舵機(jī)航行器的轉(zhuǎn)向半徑，航向跟蹤的快速性能和靈活性能要大大提高。航向跟蹤示意圖如圖1所示，其中，EXEYE為地面二維平面坐標(biāo)系，oxy為航行器二維平面體坐標(biāo)系，x為航向角，xd為參考航向角。
考慮建模誤差和環(huán)境干擾等不確定性因素的影響，該小型水下航行器的航向控制系統(tǒng)可采用一階非線性艏搖響應(yīng)方程[9]，則其航向控制問題可描述為：
2 基于干擾觀測器的自適應(yīng)反演滑模設(shè)計(jì)
航行器系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中，x為實(shí)際航向角，xd為參考航向角，F(xiàn)為系統(tǒng)不確定性與外界環(huán)境擾動(dòng)所構(gòu)成的系統(tǒng)總不確定性，
為總不確定性估計(jì)值，uc為滑模控制器輸出，uf為經(jīng)干擾觀測器估算后的補(bǔ)償控制律輸出值，u為實(shí)際加載在航行器系統(tǒng)上的控制輸入。
2.1 干擾觀測器設(shè)計(jì)
干擾觀測器設(shè)計(jì)為如下形式[13]：
2.2 自適應(yīng)反演滑?？刂破髟O(shè)計(jì)
設(shè)期望航向角指令為xd，控制器設(shè)計(jì)如下[14]。
對于艏向角跟蹤，其跟蹤誤差為：
選擇第一個(gè)Lyapunov函數(shù)：
3 仿真研究
本文研究的水下航行器船體采用ABS材料3D打印而成,航行角度和角速度通過六軸陀螺儀和加速度計(jì)測出。航行器水池運(yùn)動(dòng)場景如圖3。
利用硬件慣導(dǎo)模塊將實(shí)際的相對轉(zhuǎn)向方向信息反饋到控制器中，進(jìn)而利用基于干擾觀測器的自適應(yīng)反演滑?？刂品捶椒▽?shí)現(xiàn)閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制，通過干擾觀測器和滑?？刂破鞴餐饔茫罱K實(shí)現(xiàn)航向跟蹤目的。
試驗(yàn)水下航行器航向控制方程中系統(tǒng)參數(shù)為：a=-1.3，b=23.3。
仿真對比實(shí)驗(yàn)中，針對水池試驗(yàn)中不同程度的水流干擾，現(xiàn)考慮兩種情形下的干擾：
情形一：F=sin(0.1πt)外界環(huán)境干擾較小時(shí)的總不確定性；
情形二：F=5sin(0.5πt)為外界干擾很大時(shí)的總不確定性。
為驗(yàn)證控制算法對干擾的魯棒性，選擇參數(shù)為：l=1.5，g=9.3，c1=0.2，k1=0.2，h=2，β=1，γ=2。
為避免滑?？刂茙淼亩秳?dòng)問題，式(21)中采用飽和函數(shù)替代符號(hào)函數(shù)，仿真結(jié)果如圖4～圖8所示。
由仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)航行器所承受的干擾較小時(shí)，采用普通的自適應(yīng)滑?？刂破骶涂梢詫?shí)現(xiàn)對設(shè)定航向的穩(wěn)定跟蹤，但當(dāng)加大水下干擾時(shí)，即在t=10 s時(shí)加載很大的干擾時(shí)，普通滑?？刂破鞅汶y以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定跟蹤，然而附加干擾觀測器的自適應(yīng)滑?？刂破髟诟蓴_很大時(shí)依然能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定跟蹤，滿足水下航向器跟蹤穩(wěn)定性好和跟蹤精度高的試驗(yàn)要求，對干擾的劇烈變化具有強(qiáng)魯棒性和自適應(yīng)性。
4 智能航向控制設(shè)計(jì)
綜上所述，小型水下航行器在完成水面航向跟蹤任務(wù)過程中，易受動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和跟蹤精度的影響，針對外界不同程度的環(huán)境干擾，設(shè)計(jì)如下智能控制，使其滿足：
(1)當(dāng)外界干擾小于控制器所設(shè)干擾的閾值時(shí)，控制器自動(dòng)識(shí)別干擾大小，選擇動(dòng)態(tài)滑?？刂破鳎诒ＷC跟蹤穩(wěn)定性和跟蹤精度的前提下，快速完成航向跟蹤任務(wù)。
(2)當(dāng)外界干擾大于控制器所設(shè)干擾的閾值時(shí)，控制器選擇另一基于NDO的自適應(yīng)滑模控制器，通過非線性干擾觀測器手段基本消除外界環(huán)境干擾，最終實(shí)現(xiàn)對參考航向的穩(wěn)定跟蹤。
智能系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)：利用Simulink框圖中的IF模塊、IF Action Subsystem模塊和比較模塊，令一正弦輸入曲線為外界干擾輸入項(xiàng)，干擾的幅值大小任意可調(diào)，外界干擾首先進(jìn)入比較模塊子系統(tǒng)中，經(jīng)與干擾閾值的大小對比后，比較值進(jìn)入IF模塊，最終決定控制器的選擇，完成了智能航向控制的設(shè)計(jì)。
仿真研究，考慮兩種情況：
(1)干擾輸入曲線為F=0.5sin(0.1πt)，即干擾較小時(shí)的情形。
(2)干擾輸入曲線為F=3sin(0.1πt)，即干擾較大時(shí)的情形。
根據(jù)干擾大小，規(guī)定Dynamic為自適應(yīng)反演控制器1，NDO為基于干擾觀測器的自適應(yīng)反演控制器2。仿真結(jié)果如圖9～圖12所示。
仿真結(jié)果，對比圖9和圖11，干擾較小時(shí)自動(dòng)選擇動(dòng)態(tài)滑模控制策略，系統(tǒng)跟蹤響應(yīng)時(shí)間較快，當(dāng)所受干擾增加超過臨界值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切換至基于NDO的滑?？刂撇呗裕ＷC系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)又不失快速性，進(jìn)一步提高了控制系統(tǒng)的智能性。
5 結(jié)論
本設(shè)計(jì)的航向控制器是基于滑?？刂坡稍O(shè)計(jì)的，考慮外界環(huán)境不同程度的環(huán)境干擾，設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)滑模控制器和基于NDO的自適應(yīng)反演滑?？刂破?。根據(jù)各控制器的特點(diǎn)和抗干擾能力的大小，設(shè)計(jì)了智能航向控制器。該控制系統(tǒng)可首先判斷水流循環(huán)等外界干擾的程度，然后自動(dòng)選取合適的控制策略，最終消除外界干擾，提高跟蹤的穩(wěn)定性和快速性。該控制策略具有算法簡單、可智能選擇不同控制策略的優(yōu)點(diǎn)，且通過反步法和李亞普諾夫函數(shù)的結(jié)合從理論上能夠保證航行器航向跟蹤系統(tǒng)的全局漸近穩(wěn)定性，能夠滿足對設(shè)定航向穩(wěn)定跟蹤的目的，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的智能性，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)小型水平面內(nèi)的路徑規(guī)劃和三維空間的運(yùn)動(dòng)控制提供了理論依據(jù)。
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作者信息：
劉 青，黃茹楠，陳 勇，李建坡，趙德林
(燕山大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 秦皇島066004)