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基于L1自适应理论的AUV深度控制器设计

霍江航 姜向远 栾义忠 马晓静

霍江航, 姜向远, 栾义忠, 等. 基于L1自适应理论的AUV深度控制器设计[J]. 中国舰船研究, 2021, 17(X): 1–9 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02114
引用本文: 霍江航, 姜向远, 栾义忠, 等. 基于L1自适应理论的AUV深度控制器设计[J]. 中国舰船研究, 2021, 17(X): 1–9 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02114
HUO J H, JIANG X Y, LUAN Y Z, et al. Design of AUV depth controller based on L1 adaptive theory[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2021, 17(X): 1–9 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02114
Citation: HUO J H, JIANG X Y, LUAN Y Z, et al. Design of AUV depth controller based on L1 adaptive theory[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2021, 17(X): 1–9 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02114

基于L1自适应理论的AUV深度控制器设计

doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02114
基金项目: 国家自然科学基金委-英国皇家学会联合资助项目(61711530133);国家自然科学基金资助项目(61503413);中央高校基本科研业务费山东大学人才专项资助项目(2019GN052);山东大学青年创新群体专项资助项目(2020QNQT016)
详细信息
    作者简介:

    霍江航,男,1996年生,硕士生。研究方向:机器人控制算法。E-mail:l15638538993@163.com

    姜向远,男,1983年生,博士,副教授,硕士生导师。研究方向:寻源自适应控制,无人艇、水下潜航器、无人机及机械臂等智能系统的控制与优化。E-mail:JH1457244563@163.com

    栾义忠,男,1974年生,硕士,副研究员。研究方向:计算机控制及智能系统,检测与信息处理,智能制造,智慧系统等相关领域应用技术。E-mail:3742460@qq.com

    马晓静,女,1992年生,博士生。研究方向:海洋环境空基自动探测系统。E-mail:mx_jing@163.com

    通信作者:

    姜向远

  • 中图分类号: U664.82

Design of AUV depth controller based on L1 adaptive theory

  • 摘要:   目的  为抑制自主式水下航行器(autonomous underwater vehicle, AUV)运动过程中水动力参数变化和复杂外界环境干扰的影响,针对AUV深度控制通道设计一种自适应控制器。  方法  首先建立AUV系统动力学模型,然后以REMUS AUV系统的纵向控制模型为被控对象设计L1自适应控制器,最后在考虑不同干扰条件下使用Matlab/Simulink对L1自适应控制器进行仿真试验,并与相同环境下PID控制器的效果做出对比。  结果  在受到强外界干扰的条件下,对比PID控制器,L1自适应控制器的控制效果更稳定。且当AUV运动模型中水动力参数发生改变时,L1自适应控制器可以保持稳定。  结论  仿真结果表明基于L1自适应理论设计的控制器在拥有良好动态响应的同时能够保证抗干扰能力与鲁棒性。
  • 图  1  AUV动力学模型与2个坐标系的关系图

    Figure  1.  Body-fixed frame and earth-fixed frame

    图  2  基于输出反馈的L1自适应控制器结构图

    Figure  2.  L1 adaptive output feedback control structure

    图  3  深度通道串级PID控制结构

    Figure  3.  Depth-plane PID control system

    图  4  深度变化图

    Figure  4.  Depth variation curve

    图  5  纵倾角度变化图

    Figure  5.  Pitch variation curve

    图  6  纵倾角速度变化图

    Figure  6.  Pitch velocity variation curve

    图  7  外部环境干扰下AUV深度变化图

    Figure  7.  Depth channel output change with disturbance

    图  8  深度随模型参数${M_{\dot q}}$的变化曲线

    Figure  8.  Depth variation versus ${M_{\dot q}}$

    图  9  深度随模型参数u的变化曲线

    Figure  9.  Depth variation versus u

    表  1  REMUS AUV的标称参数

    Table  1.   The nominal parameters values of the REMUS AUV

    参数数值
    Mθ/(kg·m2·s−2)−5.77
    Mq/(kg·m2·s−2)−6.87
    ${M_{\dot q}}/({\rm{kg}}\cdot{\rm{m}}^2) $−4.88
    MU/(kg·m2·s−2)−34.65
    Iy/(kg·m2)3.45
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    表  2  无干扰下AUV纵向姿态变化曲线的性能指标

    Table  2.   Performance indexes of the two controllers without disturbance

    输入类型响应指标PID控制器L1自适应控制器
    阶跃信号上升时间/s2.851.90
    调节时间/s4.873.76
    最大纵倾角/rad0.3860.416
    最大纵摇角速度/(rad·s−1)1.690.62
    正弦信号峰值偏差/m0.070.03
    峰值偏差百分比/%73
    最大纵摇角/rad0.1900.200
    最大纵摇角速度/(rad·s−1)0.1630.130
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    表  3  外部干扰下AUV深度变化曲线的性能指标

    Table  3.   Performance indexes of the two controllers with disturbance

    输入类型响应指标PID控制器L1自适应控制器
    阶跃信号平均差值/m0.0080.000 5
    方差值/m20.012 70.000 16
    正弦信号最大峰值偏差/m0.1150.029
    最大峰值偏差百分比/%11.52.9
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-09-16
  • 修回日期:  2020-12-01
  • 网络出版日期:  2021-05-26

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