科研動(dòng)態(tài)
基于MPC和變論域S面算法的過(guò)驅(qū)動(dòng)AUV三維路徑跟蹤
中文題目：基于MPC和變論域S面算法的過(guò)驅(qū)動(dòng)AUV三維路徑跟蹤
論文題目：Three-Dimensional Path Tracking of Over-Actuated AUVs Based on MPC and Variable Universe S-Plane Algorithms
錄用期刊/會(huì)議：Journal of Marine Science and Engineering (JCR Q1)
原文DOI：https://doi.org/10.3390/jmse12030418
原文鏈接：https://www.mdpi.com/2077-1312/12/3/418
錄用/見(jiàn)刊時(shí)間：2024年2月27日
作者列表：
1） 許 鋒 中國(guó)石油大學(xué)（北京）信息科學(xué)與工程學(xué)院/人工智能學(xué)院 自動(dòng)化系 副教授
2） 張 磊 中國(guó)石油大學(xué)（北京）信息科學(xué)與工程學(xué)院/人工智能學(xué)院 控制工程專(zhuān)業(yè) 碩 21
3） 仲繼彬 海洋石油工程股份有限公司 高級(jí)工程師
自主水下機(jī)器人(AUV，Autonomous Underwater Vehicle)廣泛應(yīng)用于海底管道的巡檢，針對(duì)AUV巡檢過(guò)程中受不確定性洋流干擾影響導(dǎo)致軌跡跟蹤精度低、實(shí)時(shí)性差的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種新型的基于MPC和變論域S面算法的雙閉環(huán)控制器，實(shí)現(xiàn)了過(guò)驅(qū)動(dòng)AUV在不確定性洋流干擾下的三維軌跡跟蹤。本文將MPC作為外環(huán)位置控制器，變論域S面控制器作為內(nèi)環(huán)速度控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)軌跡的閉環(huán)跟蹤。設(shè)計(jì)外環(huán)的MPC控制器時(shí)，考慮了系統(tǒng)的實(shí)際控制輸入約束，引入控制增量減少控制模型誤差和AUV實(shí)際模型參數(shù)受不確定性外界干擾的影響；設(shè)計(jì)內(nèi)環(huán)的變論域S面控制器時(shí)，結(jié)合了變論域模糊控制器的強(qiáng)魯棒性和S面算法的易構(gòu)造特性，同時(shí)引入積分作用以提高系統(tǒng)的速度跟蹤精度；兩個(gè)控制器在設(shè)計(jì)時(shí)均使用了Lyapunov方法分析了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。最后通過(guò)仿真表明過(guò)驅(qū)動(dòng)AUV在不確定性洋流干擾下，跟蹤過(guò)程迅速、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、跟蹤結(jié)果精度高，證明了所設(shè)計(jì)的雙閉環(huán)控制器的有效性。
自主水下航行器(AUV)能夠在各種復(fù)雜的水下環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)，并廣泛應(yīng)用在海洋調(diào)查和研究、海洋資源勘探、海底管道和電纜檢查等領(lǐng)域。過(guò)驅(qū)動(dòng)AUV由于有更多的執(zhí)行器和控制輸入，相比于欠驅(qū)動(dòng)AUV，它擁有更高的機(jī)動(dòng)性和控制能力，拓展了AUV的任務(wù)能力和應(yīng)用范圍。為了保證過(guò)驅(qū)動(dòng)AUV能夠安全、穩(wěn)定、準(zhǔn)確快速地完成各種水下特殊任務(wù)，需要對(duì)其三維軌跡跟蹤控制技術(shù)進(jìn)一步研究。然而，過(guò)驅(qū)動(dòng)AUV的模型具有非線(xiàn)性性、耦合效應(yīng)以及動(dòng)態(tài)建模復(fù)雜性，其對(duì)建模誤差、環(huán)境變化和執(zhí)行器故障等不確定性因素更加敏感，這些特點(diǎn)使得過(guò)驅(qū)動(dòng)AUV的控制器設(shè)計(jì)和分析更加復(fù)雜，因此，過(guò)驅(qū)動(dòng)AUV的魯棒和精確控制十分重要。
文章首先建立了過(guò)驅(qū)動(dòng)AUV的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，設(shè)計(jì)了推力分別配方案。
圖1 過(guò)驅(qū)動(dòng)AUV運(yùn)動(dòng)學(xué)模型
圖2 過(guò)驅(qū)動(dòng)AUV動(dòng)力學(xué)模型
MPC可以有效處理過(guò)驅(qū)動(dòng)AUV的多自由度控制問(wèn)題，可充分考慮AUV的模型和約束條件。變論域S面控制器為經(jīng)典S面控制算法與變論域模糊方法的結(jié)合體，新的算法結(jié)合了變論域模糊控制器的強(qiáng)魯棒性和S面算法的易構(gòu)造特性，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了控制器的設(shè)計(jì)。為了解決水下航行器的軌跡跟蹤控制問(wèn)題，將MPC與變論域S面算法結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種新型的基于MPC和變論域S面算法的雙閉環(huán)控制器。
圖3 過(guò)驅(qū)動(dòng)AUV控制方框圖
分別在無(wú)海流干擾和有海流干擾的條件下，仿真對(duì)比以MPC和PID結(jié)合的雙閉環(huán)控制器方法對(duì)參考三維曲線(xiàn)軌跡的跟蹤效果。
圖4 有干擾下三維曲線(xiàn)軌跡跟蹤效果
當(dāng)AUV執(zhí)行軌跡跟蹤任務(wù)時(shí)，在加入持續(xù)的不確定性海流干擾后，本文所提出的新方法2相比于方法1的抗干擾能力更強(qiáng)，初始階段偏離參考軌跡的幅度較小，且能在很短的時(shí)間快速地跟蹤上參考軌跡，而方法1的實(shí)際運(yùn)行軌跡具有明顯的波動(dòng)，抗干擾能力較差。
借鑒級(jí)聯(lián)控制理論的思想，使用MPC和改進(jìn)的變論域S面算法分別設(shè)計(jì)了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)控制器，并使用Lyapunov函數(shù)分析了內(nèi)環(huán)和外環(huán)的穩(wěn)定性。在加入持續(xù)的不確定性海流干擾后，過(guò)驅(qū)動(dòng)AUV仍能實(shí)現(xiàn)對(duì)三維曲線(xiàn)軌跡的快速精準(zhǔn)跟蹤，所設(shè)計(jì)的雙閉環(huán)控制器抗干擾能力強(qiáng)，魯棒性高，軌跡跟蹤響應(yīng)快。運(yùn)動(dòng)學(xué)控制器設(shè)計(jì)中考慮了實(shí)際模型的線(xiàn)速度和角速度的約束，可實(shí)時(shí)解算出當(dāng)前時(shí)刻的最優(yōu)控制律，控制增量輸入的引入增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性，減少了由于線(xiàn)性化運(yùn)動(dòng)學(xué)模型帶來(lái)的誤差和外界干擾對(duì)AUV模型參數(shù)的不確定性影響。建模過(guò)程中考慮過(guò)驅(qū)動(dòng)AUV的推進(jìn)器空間布置模型，采用接近最優(yōu)能耗的直接邏輯法分配推力，建模過(guò)程更加精細(xì)，更加接近實(shí)際AUV模型。本文的動(dòng)力學(xué)控制器的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，相比于常規(guī)的PID控制器，參數(shù)調(diào)節(jié)過(guò)程快速方便。
許鋒，中國(guó)石油大學(xué)（北京）信息科學(xué)與工程學(xué)院/人工智能學(xué)院副教授、碩士生導(dǎo)師。科研工作涉及控制理論及應(yīng)用、生產(chǎn)過(guò)程的先進(jìn)控制與優(yōu)化、化工過(guò)程的流程模擬與分析、過(guò)程控制與工藝設(shè)計(jì)一體化研究等，長(zhǎng)期從事煉油化工過(guò)程軟測(cè)量與先進(jìn)控制、流程模擬與實(shí)時(shí)優(yōu)化等技術(shù)開(kāi)發(fā)與工程應(yīng)用工作。