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【6h】

基于观测器的动态终端滑模控制器在高速小型水下机器人姿态角控制上的应用

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摘要

小型自治水下机器人(小型AUV),因为具有结构相对简单,造价低、航速快,机动灵活,隐蔽性好,可以快速完成布放等优点,逐渐引起了人们的重视,并开始应用于近海环境监测、水底地质勘探、水底地貌测绘,大型船只外壳的日常维护性检查,港口安全监控,人道主义搜救,科学研究等多个方面。同其它种类地水下机器人一样,小型水下机器人的运动为空间内的六自由度运动,其动力学方程具有强耦合性和强非线性的特点,导致小型水下机器人的控制问题变得比较十分复杂。因此,针对小型AUV,设计一种简单且具有自适应能力强的鲁棒控制器,简单的,具有自适应能力的强鲁棒控制器,其意义显得尤为重要。
　　本文以小型水下机器人的姿态控制作为研究对象,针对小型AUV,着重研究了其姿态控制问题。并针对此类小型AUV自身的特点,提出了一种基于动态终端滑模控制理论和观测器的姿态控制方法。该控制方法具有在仅能获取到有限数据的情况下,自动调整控制器参数,进而获得一种低抖动的,可以确保水下机器人姿态角在有限时间内收敛的控制信号。并通过数值仿真验证了该控制方法的可行性。
　　本文首先依据流体动力学理论和已有文献,建立了一种能够反映小型水下机器人动力学特点的动力学模型,并通过将模型的数值仿真数据和实际实验获得的数据进行对比,验证所建立的动力学数学模型的有效性和准确性。随后,本文基于高增益观测器理论,自适应控制理论和动态终端滑模理论,提出了一种基于观测器的自适应动态终端滑模控制器,该控制器具有设计相对简单,具有自适应能力,强鲁棒性,和低抖动的特点。并通过李亚普诺夫稳定性理论证明了该控制器的稳定性。最后,本文以之前建立的高速小型AUV的动力学模型作为被控模型,根据所提出的“基于观测器的自适应动态终端滑模控制器”设计了小型水下机器人的姿态控制器,并通过数值仿真来验证了控制器的控制效果。结果显示,所设计的控制器具有低抖动,强鲁棒性等特点。

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