非线性约束下欠驱动UUV自适应输出反馈三维轨迹跟踪控制研究

The trajectory tracking control of an underactuated UUV is one of the hot and most challenging topics in the research field of UUV. This project deeply addresses the trajectory tracking control for an underactuated UUV focusing on the key problems such as unknown time-varying ocean current, unmeasurable linear and angular velocities, parameter perturbation with the unknown supremum, high-order unmodeled dynamics, saturation and dead time characteristics of the control inputs. For the unmeasurable linear and angular velocities, the finite-time motion state observer is proposed based on the multivariable equivalent output injection adaptive sliding mode. Then, the global finite-time adaptive output feedback trajectory tracking control algorithm for off-line identification and online compensation is designed based on the support vector machine, nonlinear integral sliding mode, time delay estimation and so on. Next, the control performance of the global finite-time adaptive output feedback trajectory tracking control algorithm is improved by introducing ocean current observer, saturation compensator and dead zone compensator. Finally, the integrated simulation system of the motion control for an underactuated UUV is developed by using MATLAB, Multigen Creator, Vega and the hardware as well as thrusters and servos. This project research will establish the solid theoretical and technical foundation for solving the problem of the trajectory tracking control for an underactuated UUV with practical nonlinear constraints.

欠驱动UUV轨迹跟踪控制是UUV研究领域的热点问题之一，也是最具挑战性的课题之一。本项目针对未知时变海流、速度不可测、上确界未知的参数摄动、高阶未建模动态特性、运动控制输入饱和与死区特性等关键问题，深入研究欠驱动UUV三维轨迹跟踪控制问题。针对速度不可测问题，提出了基于多变量等效自适应滑模的有限时间运动状态观测器。然后，基于支持向量机、非线性积分滑模、时延估计等方法，提出了一种离线辨识优化、在线估计补偿的全局有限时间自适应输出反馈轨迹跟踪控制算法。接下来，通过引入海流观测器、饱和补偿器以及死区补偿器，提高全局有限时间自适应输出反馈轨迹跟踪控制算法的控制性能。最后，利用MATLAB、Multigen Creator、Vega等软件以及推进器、舵机等硬件，搭建欠驱动UUV运动控制集成仿真系统。通过本项目的研究，将为解决实际非线性约束下欠驱动UUV三维轨迹跟踪问题奠定坚实的理论和技术基础。

本项目选取海洋工程领域重要的高技术装备——欠驱动水下无人航行器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）作为研究对象，开展其在非线性因素约束下的三维轨迹跟踪控制问题研究工作。本项目充分考虑未知海洋环境扰动、运动模型参数摄动、未建模动态特性、运动速度不可测、控制输入饱和特性以及死区特性等非线性因素影响，分别提出了不确定扰动下的欠驱动UUV鲁棒自适应三维轨迹跟踪控制方法、欠驱动UUV全局有限时间三维轨迹跟踪控制方法以及具有输入约束补偿的欠驱动UUV有限时间输出反馈三维轨迹跟踪控制方法等一系列空间轨迹跟踪控制技术。首先，针对未知复杂海洋环境扰动、未建模动态特性等不确定非线性扰动约束下的三维轨迹跟踪问题，利用Lyapunov直接法、径向基函数（Radial basis function，RBF）神经网络以及线性积分滑模（Integral sliding mode，ISM）等控制方法，提出了一种鲁棒自适应三维轨迹跟踪控制方法。然后，针对未知海洋扰动、高阶未建模动态特性以及运动模型参数摄动等非线性因素扰动下三维轨迹跟踪问题，利用非线性积分滑模（Nonlinear integral sliding mode，NISM）、级联控制（Cascade control）、径向基函数（Radial basis function，RBF）神经网络等控制方法，提出了一种鲁棒性更强的全局有限时间三维轨迹跟踪控制方法。最后，针对未知海洋环境扰动、运动模型参数摄动、未建模动态特性、运动速度不可测、控制输入饱和特性以及死区特性等非线性因素约束下三维轨迹跟踪问题，利用有限时间运动状态观测器、非线性积分滑模（Nonlinear Integral Sliding Mode，NISM）、时延估计（Time Delay Estimation，TDE）以及辅助动力学系统、模糊逻辑系统（Fuzzy Logic System，FLS）等控制方法，设计出了一种具有输入约束补偿的全局有限时间输出反馈三维轨迹跟踪控制算法。本项目研究成果具有较为重要的理论意义和工程价值。本项目研究成果能够被应用于欠驱动UUV执行高机动性、时敏性强的作业任务，能够有效提高欠驱动UUV的机动性，进而有效地拓展其应用范围。