基于凸优化算法的无人水下航行器协同定位

In this paper, a cooperative localization algorithm for autonomous underwater vehicles (AUVs) is proposed. A ``parallel" model is adopted to describe the cooperative localization problem instead of the traditional ``leader-follower" model, and a linear programming associated with convex optimization method is used to deal with the problem. After an unknown-but-bounded model for sensor noise is assumed, bearing and range measurements can be modeled as linear constraints on the configuration space of the AUVs. Merging these constraints induces a convex polyhedron representing the set of all configurations consistent with the sensor measurements. Estimates for the uncertainty in the position of a single AUV or the relative positions of two or more nodes can then be obtained by projecting this polyhedron onto appropriate subspaces of the configuration space. Two different optimization algorithms are given to recover the uncertainty region according to the number of the AUVs. Simulation results are presented for a typical localization example of the AUV formation. The results show that our positioning method offers a good localization accuracy, although a small number of low-cost sensors are needed for each vehicle, and this validates that it is an economical and practical positioning approach compared with the traditional approach.     

变质心自主水下航行器定深控制研究

对变质心自主水下航行器（AUV）定深控制问题进行了研究。建立了相应的纵平面的变质心AUV的运动数学模型。在此基础上,基于滑模控制理论设计了变质心控制系统,控制质量块的偏移运动,进而控制AUV定深运动。仿真结果表明：该控制器可满足AUV定深控制的需要,使定深误差趋近于零,并对建模误差具有一定的鲁棒性。     

自主水下航行器的鲁棒自适应姿态控制算法

针对自主水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）在自动巡航任务中的姿态控制问题，提出了一种神经网络与滑模控制相结合的鲁棒自适应姿态控制算法。采用了RBF神经网络对AUV数学模型中的不确定项进行逼近，抑制了未建模动态和参数摄动的影响，进而基于反步法和滑模控制设计了姿态控制律，其中引入鲁棒项以克服外界干扰和神经网络逼近误差，并通过Lyapunov定理证明了控制系统的稳定性。将所设计的控制算法应用在AUV的姿态控制系统中进行数值仿真，验证了该控制算法的有效性和鲁棒性。     

自主式水下航行器三维路径跟踪的神经网络H∞鲁棒自适应控制方法

本文研究了存在模型不确定以及外界未知扰动情况下的自主式水下航行器(AUV)的三维路径跟踪控制问题. 针对此问题, 首先利用时标分离原理及正交投影Serret-Frenet坐标系建立了描述AUV质心运动及姿态运动的的仿射非线性数学模型. 其次, 在控制器设计中运用神经网络H∞鲁棒自适应算法克服了模型的不确定性及扰动, 同时在控制器设计中利用了主导输入的思想, 降低了闭环系统的复杂度, 减少了实时计算工作量, 便于工程应用. 基于Lyapunov理论的分析保证了系统的稳定性. 仿真结果表明, 路径跟踪控制律可以保证AUV沿期望路径运动, 并且具有良好的动态性能.     

Adaptive tracking control of an autonomous underwater vehicle

This paper presents the trajectory tracking control of an autonomous underwater vehicle(AUV). To cope with parametric uncertainties owing to the hydrodynamic effect, an adaptive control law is developed for the AUV to track the desired trajectory. This desired state-dependent regressor matrix-based controller provides consistent results under hydrodynamic parametric uncertainties.Stability of the developed controller is verified using the Lyapunov s direct method. Numerical simulations are carried out to study the efficacy of the proposed adaptive controller.     

微小型自主水下机器人研究现状

综述了国内外微小型自主水下机器人（AUV）的研究现状。首先,对微小型AUV的定义进行了梳理。其次,基于微小型AUV的平台结构特征,对微小型AUV的应用背景和特征进行了归纳和总结。最后,对微小型AUV的发展趋势进行了分析和探讨。为微小型AUV的设计提供了参考,对微小型AUV的应用发展具有借鉴意义。     

多自主水下航行器系统一致性编队跟踪控制

研究了自主水下航行器的编队路径跟踪问题.基于无源性理论与一致性跟踪理论,在仅有部分AUV获取编队速度信息情形下,设计一种分布式控制律,实现了集群AUV的一致性编队跟踪.控制律分为2个部分:一部分基于无源性同步原理,建立了协同误差到跟踪误差的无源性通道;另一部分为一致性协同跟踪控制器,保证每个AUV相对于虚拟领航者的不一致参考信息通过协商达到最终一致状态.文章应用Nested Matrosov定理证明了整个闭环系统的稳定性,仿真结果验证了上述方法的有效性和可行性.     

带有内部转子的自主水下航行器的跟踪控制

研究了水平面内自主水下航行器(AUV)的轨迹跟踪控制问题。AUV由主推进器和一个内部转子驱动,可视为欠驱动系统。建立了带有外界扰动及模型不确定性的系统数学模型。为了对侧向运动和偏航运动进行解耦,采用了一种坐标转换。基于Lyapunov直接法,针对转换后的模型设计了一种跟踪控制律以使得位置跟踪误差收敛于零点左右的一个球域内。考虑到电机控制系统中的干扰和误差,对转子电机进行了控制设计以实现系统跟踪误差的全局镇定。仿真结果表明控制律对建模误差具有一定的鲁棒性。     

Fixed-time Sliding Mode Formation Control of AUVs Based on a Disturbance Observer

In this paper,we investigate formation tracking control of autonomous underwater vehicles(AUVs)with model parameter uncertainties and external disturbances.The external disturbances due to the wind,waves,and ocean currents are combined with the model parameter uncertainties as a compound disturbance.Then a disturbance observer(DO)is introduced to estimate the compound disturbance,which can be achieved within a finite time independent of the initial estimation error.Based on a DO,a novel fixed-time sliding control scheme is developed,by which the follower vehicle can track the leader vehicle with all the states globally stabilized within a given settling time.The effectiveness and performance of the method are demonstrated by numerical simulations.     

基于神经网络的自治水下机器人广义预测控制

针对自治式水下机器人高度非线性和时变性的特点,提出了一种基于神经网络的水下机器人广义预测控制策略．利用改进型Elman网络作为多步预测模型,在对网络学习算法进行改进的基础上,实现了Elman网络的在线学习,并提出了用于求解神经广义预测控制律的灵敏度公式．进行了具有神经网络在线学习功能和不具有在线学习功能的水下机器人的速度控制实验,并就预测控制效果进行了对比分析．实验结果表明,具有自适应学习功能的水下机器人速度控制法的精度要优于不具有在线学习功能的速度控制法,且当水下机器人动态特性发生变化时具有较强的自适应能力．     

小型自治水下机器人控制系统研究开发

开发了一种性价比高的CAN总线分布式自治水下机器人控制系统结构,并采用了独特的故障处理方法．根据弱耦合简化模型,详细设计了航行控制器,并对航行控制系统进行了仿真研究．仿真与试验结果表明: 控制系统性能可靠、传输率高,并具有很好的鲁棒性与稳定性,能够满足水下机器人工作环境复杂多变的要求．     

基于有限时间系统同步的自治水下航行器回收控制

基于主-从系统状态同步的思想,提出了母艇在平面运动中回收自治水下航行器（Autonomous underwater vehicle,AUV）的一种控制方法. 在给出母艇和自治水下航行器的动力学模型基础上,建立了自治水下航行器（从系统）接收母艇（主系统）的状态信息并控制自身接近母艇的主从控制方案,使母艇自主回收水下航行器的问题转化为两者的运动状态同步问题. 利用有限时间稳定性理论,设计了一种在常值海流扰动影响下,自治水下航行器能够在有限时间内被母艇回收的滑模控制器,理论证明和仿真实例证实了该控制器的有效性.     

基于CAN总线的自治水下机器人控制系统

将CAN总线应用在自治水下机器人中,构成多主站的分布式控制系统,取代了以往水下机器人采用的集中式控制结构及主从式网络结构．从硬件和软件两方面详细介绍了CAN总线在自治水下机器人中的应用方案,设计了基于P87C591单片机的CAN总线控制器,并针对水下机器人分布式控制系统的需求特点,设计了CAN应用层协议和相应的通信软件．最后通过湖试验证了控制系统的可行性和可靠性．     

水下无人航行器的研究现状与展望

本文首先介绍了水下无人航行器的研究背景、特点、分类与国内外研究现状。随后,阐述了国内在该领取得的标志性成果,包括几款AUV和ROV产品,其中重点介绍了一款大深度AUV和深海作业型ROV的技术特点与技术难点。接着,对该领域未来的发展趋势进行了展望。最后,对全文进行了小结。     

AUV自主控制全局模型及智能决策算法研究

分析了自主式水下潜器(AUV)自主控制全局模型的内涵,指出应该包含环境信息、使命信息以及自身状态三个部分;用栅格法建立了环境模型;定义了"多区域地形勘察"使命案例;分析了与决策算法相关的AUV自身状态的表示方法;在此基础上开发了智能决策算法,算法包含路径选优和速度规划两部分;应用图论及运筹学的方法实现了路径选优,应用遗传算法实现了速度规划;用Petri网为AUV的使命控制过程建模,最终完成了智能决策算法和使命控制系统的集成;经仿真验证,所开发的智能决策决策算法正确有效,AUV使命的控制和执行自主可靠.     

水下机器人嵌入式基础运动控制系统

从硬件和软件两方面详细地讨论了水下机器人嵌入式基础运动控制系统的体系结构,从根本上改变 了以往水下机器人运动控制系统依靠上位机与下位机相结合的体系结构.同时详细阐述了水下机器人基础运动控 制的整个信息流程.最后通过海上试验验证了整个基础运动控制系统的可行性和可靠性.     

基于滤波反步法的欠驱动AUV三维路径跟踪控制

研究了欠驱动自主水下航行器 (Autonomous underwater vehicle, AUV)的三维空间路径跟踪控制问题.针对基于虚拟向导建立的三维路径跟踪误差模型, 采用滤波反步法设计跟踪控制器,通过二阶滤波过程获得虚拟控制量的导数, 避免了直接对虚拟控制量解析求导的复杂过程, 同时滤除了高频测量噪声, 增加了系统对噪声的鲁棒性.通过设计滤波误差补偿回路, 保证了滤波信号对虚拟控制量的逼近精度.基于李雅普诺夫稳定性理论设计鲁棒项, 保证了闭环跟踪误差系统状态的渐近稳定.仿真结果表明了该控制器对噪声干扰具有一定的鲁棒性, 能够实现对三维路径的精确跟踪.     

水下机器人传感器容错控制技术的研究

在分析水下机器人的解耦控制器及传感器系统的基础上，探讨了传感器出现故障时采用以滑模观测器输出代替传感器输出的容错控制（又叫取代控制）策略．对于传感器出现的无法修复性故障，这种策略最小化了其带给机器人的损伤．对于传感器出现的跳变故障，则在跳变故障的时间内采用取代控制．仿真结果表明了方法的有效性．