具有全向控制的水下碟形滑翔机自抗扰控制

doi:10.12382/bgxb.2021.0148

摘要/Abstract

摘要： 针对水下碟形滑翔机特殊的外形结构及运动特点，重点研究欠驱动多约束条件下水下碟形滑翔机的自主控制问题。建立水下碟形滑翔机动力学模型，分析水下碟形滑翔机的欠驱动控制特点和平面双轴对称的结构特点；设计具有4个喷水推进器的全向驱动机制，给出全向控制动力输出方程；设计自抗扰控制器，并建立基于MATLAB+MFC软件的水下无人航行器可视化仿真平台。大量数值实验结果表明，所提设计控制器具有可靠性和有效性，可实现水下碟形滑翔机在三维空间动态过程的平稳运行。

关键词: 水下碟形滑翔机, 自抗扰控制, 稳定分析, 水下无人航行器

Abstract: The autonomous control of dish-shaped underwater vehicle under the condition of underactuation and multiple constraints is studied.A mechanical model of the underwater vehicle is established，and the underactuated control characteristics and the planar biaxial symmetrical structure of underwater vehicle are analyzed. An omnidirectional drive mechanism with four water jet thrusters is designed，and an omnidirectional control power output equation is given.An active disturbance rejection controller (ADRC) is designed，and a visual simulation platform of UAVs based on MATLAB+MFC is established. Through a large number of numerical experiments，the reliability and effectiveness of the controller are verified，and the smooth operation of the underwater vehicle in the dynamic process of three-dimensional space is realized.

Key words: dish-shapedunderwatervehicle, activedisturbancerejectioncontrol, stabilityanalysis, underwaterunmannedvehicle

中图分类号:

TP273

张文清，邹佳运，张小川，韩梅，邹司宸. 具有全向控制的水下碟形滑翔机自抗扰控制[J]. 兵工学报, 2022, 43(3): 626-636.

ZHANG Wenqing， ZOU Jiayun， ZHANG Xiaochuan， HAN Mei， ZOU Sichen. Active Disturbance Rejection Control of Dish-shaped Underwater Vehicle with Omnidirectional Control[J]. Acta Armamentarii, 2022, 43(3): 626-636.

参考文献

［1］谢伟，陶浩，龚俊斌，等.海上无人系统集群发展现状及关键技术研究进展[J].中国舰船研究，2021，16(1):7-17，31.
XIE W，TAO H，GONG J B，et al.Research advances in development status and key technology of unmanned marine vehicle swarm operation[J].Chinese Journal of Ship Research，2021，16(1): 7-17，31.(in Chinese)
[2］郑荣，辛传龙，汤钟，等.无人水面艇自主部署自主水下机器人平台技术综述[J].兵工学报，2020，41(8): 1675-1687.
ZHENG R，XIN C L，TANG Z，et al. Review on the platform technology of autonomous deployment of AUV by USV[J].Acta Armamentarii，2020，41(8):1675-1687.(in Chinese)
[3］吴校生.水下微小无人机集群发展综述[J].数字海洋与水下攻防，2020，3(3):192-197.
WU X S.Overview of small-size underwater drones swarm development[J].Digital Ocean & Underwater Warfare，2020，3(3): 192-197. (in Chinese)
[4］张勋.含状态时滞的欠驱动UUV深度控制方法研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学，2017.
ZHANG X.Research on depth control method of underactuated UUV with state delay[D].Harbin:Harbin Engineering University，2017. (in Chinese)
[5］赵娥，宋宝维，李家旺.变质心自主水下航行器定深控制研究[J].计算机工程与应用，2011，47(32):239-241.
ZHAO E，SONG B W，LI J W.Study on depth control of autonomous underwater vehicle with moving mass[J].Computer Engineering and Applications，2011，47(32):239-241.(in Chinese)
[6］胡坤，张孝芳，刘常波.基于遗传算法的无人水下航行器深度自抗扰控制技术[J].兵工学报，2013，34(2):217-222.
HU K，ZHANG X F，LIU C B.Unmanned underwater vehicle depth ADRC based on genetic algorithm near surface [J].Acta Armamentarii，2013，34(2):217-222. (in Chinese)
[7］张超.圆碟形水下机器人的设计及运动控制[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2013.
ZHANG C.Design and motion control of dish-shaped underwater vehicle[D].Harbin:Harbin Engineering University，2013. (in Chinese)
[8］杨瑞光，孙明玮，陈增强.飞行器自抗扰姿态控制优化与仿真研究[J].系统仿真学报，2010，22(11): 2689-2693.
YANG R G，SUN M W，CHEN Z Q.ADRC-based research on attitude control optimization and simulation [J].Journal of System Simulation，2010，22(11):2689-2693.(in Chinese)
[9］韩京清.自抗扰控制技术：估计补偿不确定因素的控制技术[M].北京：国防工业出版社，2008:255-287.
HAN J Q.Active disturbance rejection control technique: the technique for estimatong and compensating the uncertainties [M].Beijing: National Defense Industry Press，2008:255-287. (in Chinese)
[10］刘立栋，张宇文.基于浮力补偿的水下无人平台低速状态最优控制研究[J].兵工学报，2013，34(5): 644-648.
LIU L D，ZHANG Y W.Buoyancy compensation-based optimal control of UUV low-speed state[J].Acta Armamentarii，2013，34(5): 644-648. (in Chinese)
[11］严浙平，赵玉飞，陈涛，等.一种基于导航误差空间的无人水下航行器路径规划方法[J].兵工学报，2014，35(8):1243-1250.
YAN Z P，ZHAO Y F，CHEN T，et al.A novel method of UUV path planning based on navigation error space[J].Acta Armamentarii，2014，35(8):1243-1250. (in Chinese)
[12］杨熙鑫.自主式水下航行器的点镇定及编队控制研究[D].青岛:中国海洋大学，2012.
YANG X X.Research onpoint stabilization and formation control of autonomous underwater vehicle[D].Qingdao:Ocean University of China，2012. (in Chinese)
[13］孟中祥，刘时圆，吕珍斌，等.多AUV集群控制技术综述[J].数字海洋与水下攻防，2020，3(6):509-515.
MENG Z X，LIU S Y，L Z B，et al.Review of multi-AUV cluster control technology[J].Digital Ocean & Underwater Warfare，2020，3(6):509-515. (in Chinese)
[14］诸敏.水下滑翔机设计优化与运动分析[D].杭州:浙江大学，2007.
ZHU M.Design optimization and moving analysis of underwater glider[D].Hangzhou:Zhejiang University，2007.(in Chinese)
[15］黄海，张强,张树迪.欠驱动AUV自适应编队控制策略[J].哈尔滨工程大学学报，2015，36(55): 633-637，643.
HUANG H，ZHANG Q，ZHANG S D.Adaptive formation control strategy for under-actuated AUVs[J].Journal of Harbin Engineering University，2015，36(5): 633-637，643.(in Chinese)

[1]	赵春明，焦胜海，王晓飞，姚跃民，黄朝东. 柔性充气空间飞行器姿态控制系统设计[J]. 兵工学报, 2022, 43(6): 1346-1354.
[2]	孙潘，李斌，温金鹏，张晓光. 水下无人航行器折叠气囊充气展开特性模拟研究[J]. 兵工学报, 2020, 41(12): 2540-2549.
[3]	徐秋坪，常思江，王中原. 滑翔制导炮弹非线性自抗扰过载控制器设计[J]. 兵工学报, 2017, 38(7): 1273-1281.
[4]	李殿起，段勇. 用跟踪微分器实现机器人自抗扰控制[J]. 兵工学报, 2016, 37(9): 1721-1729.
[5]	李伟，杨刚，陈腾飞，韩崇伟. 某全闭环操瞄系统的火炮身管指向控制研究[J]. 兵工学报, 2015, 36(9): 1811-1818.
[6]	郑颖，马大为，姚建勇，胡健. 火箭炮两轴耦合位置伺服系统线性自抗扰控制[J]. 兵工学报, 2015, 36(6): 987-993.
[7]	万磊，张英浩，孙玉山，李岳明，何斌. 基于重构容错的智能水下机器人定深运动控制[J]. 兵工学报, 2015, 36(4): 723-730.
[8]	万磊，张英浩，孙玉山，李岳明. 基于自抗扰的自主水下航行器地形跟踪控制[J]. 兵工学报, 2015, 36(10): 1943-1948.
[9]	齐晓慧, 李杰, 韩帅涛. 基于BP 神经网络的自适应自抗扰控制及仿真[J]. 兵工学报, 2013, 34(6): 776-782.
[10]	胡坤, 张孝芳, 刘常波. 基于遗传算法的无人水下航行器深度自抗扰控制[J]. 兵工学报, 2013, 34(2): 217-222.
[11]	王彪, 李超, 戴跃伟. 基于空域压缩采样的水声目标DOA估计方法[J]. 兵工学报, 2013, 34(11): 1479-1483.
[12]	吴泽伟，吴晓锋. 水下无人航行器编队识别目标的一种融合方法[J]. 兵工学报, 2011, 32(2): 181-185.
[13]	邱晓波，窦丽华，韩京清,周启煌. 自抗扰控制在坦克机动目标状态估计中的应用[J]. 兵工学报, 2009, 30(7): 989-993.
[14]	苏蒍，黄建国，韦周芳，雷济声. 一种新的频域波束切换算法[J]. 兵工学报, 2007, 28(7): 830-833.