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基于领航者的多UUV协调编队滑模控制
资料介绍
针对多无人水下航行器(unmanned underwater vehicle,UUV)编队控制易受外界环境扰动的问题,本文提出一种基于领航者的鲁棒滑模编队控制方法。该方法采用滤波反步法设计控制器,使领航者跟踪期望路径。为了使跟随者能够更好地跟踪上领航者,利用领航者的位置与速度信息进行编队控制器设计,增加系统的鲁棒性的同时,分别对跟随者的纵向速度误差和横向速度误差进行了积分滑模面的设计。仿真结果表明:针对外界环境扰动及参数的不确定性,本文所提出的鲁棒性的滑模编队控制器是切实有效的。
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2
期
Vol． 39 №． 2
Feb． 2018
第
卷第
哈
尔
滨
工
程
大
学
学
报
2018
2
月
年
Journal of Harbin Engineering University
UUV
基于领航者的多
协调编队滑模控制
， ，
李娟 马涛 刘建华
(
，
哈尔滨工程大学 自动化学院 黑龙江 哈尔滨
150001)
:
要 针对多无人水下航行器
( unmanned underwater vehicle，UUV) ，
编队控制易受外界环境扰动的问题 本文提出
摘
。 ， 。
一种基于领航者的鲁棒滑模编队控制方法 该方法采用滤波反步法设计控制器 使领航者跟踪期望路径 为了使
， ，
跟随者能够更好地跟踪上领航者 利用领航者的位置与速度信息进行编队控制器设计 增加系统的鲁棒性的同时
，
。 :
分别对跟随者的纵向速度误差和横向速度误差进行了积分滑模面的设计 仿真结果表明 针对外界环境扰动及参
，
数的不确定性 本文所提出的鲁棒性的滑模编队控制器是切实有效的
。
: ; － ; ; ; ; ;
关键词 多无人水下航行器 领航 跟随 路径跟踪 二阶滤波器 滤波误差补偿回路 滤波反步法 滑模控制
;
;
编队 协调控制
DOI: 10. 11990 /jheu． 201703102
: http: / /www． cnki． net/kcms/detail/23. 1390． u． 20171211． 0914． 020． html
网络出版地址
: TP273. 2
: A
: 1006-7043( 2018) 02-0350-08
文章编号
中图分类号
文献标志码
Multi-UUV coordinated formation sliding mode control based on leader
LI Juan，MA Tao，LIU Jianhua
( College of Automation，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China)
Abstract: In this study，to address the vulnerability of the multi-UUV formation control to disturbances from the ex-
ternal environment，a pilot-based robust sliding mode formation control method is proposed． In the proposed meth-
od，the controller was designed by the filter backstepping method to enable the pilot to track the desired path． The
pilot’s location and velocity information were used in the design of the fleet controller． The follow-ups of the longi-
tudinal velocity and lateral velocity errors were integrated into the sliding mode surface design to enable the follow-
ers to properly track the pilot and robustness，respectively． Finally，the simulation results revealed that the pro-
posed robust and effective sliding mode formation controller was effective and feasible for control under disturbances
from the external environment and parameter uncertainty．
Keywords: unmanned underwater vehicle( UUV) ; leader-follower; path following; second order filter; filter error
compensation loop; filtering backstepping; sliding mode control; formation; coordination control
［4］
( unmanned underwater vehicle，
。Balch
等
无人水下航行器
UUV)
干扰
首次提出了基于行为的编队控制
、 、
在军事侦察与监视 反潜与巡逻 海洋测绘
、
， ［5］
方法 文献 提出一种基于零空间的行为控制方
［6］
，
海洋资源勘探等领域都发挥着重要作用 是当前海
。Tan
法用于编队控制
首次提出了虚拟结构的概
［7］
。 ，
洋工程领域的研究热点 当任务复杂时 单个
UUV
，
。
念 并应用在移动机器人的编队控制上
为进一
基于无源法设计了
。Wang
［8］
，
难以胜任 这就需要多个
UUV
之间的合作和协调来
，Desai
步提高编队的鲁棒性
等
。 3 :
完成任务 应用较多的编队策略主要有 种 领
采用双向通信结构的同步路径跟踪控制
［9］
－
、
跟随法 基于行为法和虚拟结构法
。Encarna-
航
UUV
，
等
实现了单个
数进行一致性算法设计实现了多
但是上述研究未同时考虑海流干扰和参数不确定性
的路径跟踪 同时利用路径参
［1 － 2］
cao
－
最早把领航 跟随法应用到欠驱动船舶
等
UUV
。
的协同运动
［3］
。Yoo
的编队控制问题
等
利用反步法设计了船舶
［10］
，
编队控制器 但未考虑模型参数的不确定性和外界
。Peng
的影响
等
采用神经网络和反步法研究了
，UUV
模型不确定性和有界
UUV
多
编队控制问题
［11］
: 2017 － 03 － 31．
: 2017 － 12 － 11．
收稿日期
网络出版日期
。
未知海流的扰动得到了补偿 齐小伟等 实现了
:
( 51609046 /E091002) ;
基金项目 国家自然科学基金项目
中央高校基
水下机器人重点实验室研究基
( 614221502061701) ．
( HEUCFM170403) ;
金项目
金项目
( 1976 － ) ， ，
含有模型不确定性与未知海浪干扰项的多无人艇协
，
同编队控制 并引入一阶滤波器代替反步计算中的
:
．
作者简介 李娟
女 副教授
:
通信作者 李娟
，E-mail: Lijuan041@ 163． com．
，
微分项 显著减少了计算量
。
2
， :
李娟 等 基于领航者的多
UUV
·351·
第
期
协调编队滑模控制
x = ry + u － u cos
F
， ，
考虑外界环境扰动 并引入二阶滤波器 提出了
ψ
e
e
e
( 6)
{
y = － rx + u sin
F
UUV
。
编队协调方法 领航者
一种基于领航者的多
+ v
ψ
e
e
e
，
采用滤波反步法进行设计 在反步法中加入了二阶
:
同时有
·
， ， ;
滤波器 可以避免繁琐的求导过程 简化计算量 同
= r － r
( 7)
ψ
e
F
，
时为提高跟踪精度 又引入了滤波跟踪误差补偿
: u
，r
是虚拟目标的角
F
式中
是虚拟目标点的速度
F
。
回路
，
速度 ψ 是
UUV
，UUV
u，
的纵向速度为 横
的艏向角
v，
向速度为 艏摇角速度为
r。
1
领航者路径跟踪控制器的设计
1. 3
二阶滤波器设计
( 8) ，
所示的二阶滤波器 对输入信号 β
1. 1
UUV
欠驱动
水平面模型
定义如式
，
假设存在外界干扰 针对欠驱动
UUV，
其水平
:
进行逼近
［12］
x
= x
面模型 的方程表示形式为
1
2
2
( 8)
{
x
m
d
1
= － 2 w x － w ( x －
ζ
n
)
β
22
11
11
n
2
2
u =
vr －
u +
(
+
)
τ
uE
τ
u
m
m
m
11
11
: x
，0 ＜ 1 ，w ＞ 0
ζ ≤ 为阻尼比
n
式中
为控制输出量
1
m
m
d
τ
。
为自然频率
11
22
vE
v = －
ur －
v +
·
m
m
o
o
o
22
22
22
x
=
，
β 则 β 和 β 均为经过滤波后的连续
令
1
m
－ m
d
o
1
11
22
33
，
有界输出信号值 将输入信号 β 到输出信号 β 的转
r =
uv －
r +
(
+
)
τ
rE
τ
r
m
m
m
33
33
33
:
变过程表示成传递函数的形式
x = ucos － vsin
ψ
2
ψ
o
w
( s)
β
n
G( s) =
=
( 9)
y = usin + vcos
ψ
2
2
ψ
( s)
β
s + 2 w s + w
ζ
n
n
·
( 9)
，
可知 如果输入信号 β 的带宽低于
由式
= r
ψ
o
G( s) ，
则误差信号
，
将会很小 假设输入信
: m = m － X ，m = m － Y ，m = I － N ，
22 v 33 z r
－
β
式中
β
11
u
d
= X +X
u
，d = Y + Y
22 v
，d = N +
v
r
， ，
号 β 的带宽为已知 那么 只需要选取足够大且满足
u
11
u
v
33
u
v
o
w ，
n
系统要求的自然角频率
就能够获得输出信号 β
N
，m = 40，X = － 1. 42，X = 0. 1，X
u u u
=
r
r
r
u
·
o
o
的值很
β
8. 2，Y = － 38. 4，Y = 10，Y
v v
= 200，N = － 8. 9，
r
，
和其导数 β 且保证了逼近误差
－
v
β
v
［14］
N = 5，N
r
= 15，I = 8. 0。
z
。 ， w
小 但是 自然角频率 选取过大
n
r
会使系统更易
r
1. 2
UUV
路径跟踪误差方程的建立
欠驱动
首先进行领航者路径跟踪控制器的设计 令期
x = ) + R( ) ) l
的虚
i
，
受高频噪声的影响 因此需要选择一个较为合理的
，
， 。
值 从而满足系统性能的需求 二阶滤波器的结构框
o
(
(
θ
望路径上虚拟向导
η
θ
φ
1 ， ，
图如图 所示 从图中可以看出 输出信号 β 和其导
i
0i
i
0i
i
［13］
·
o
拟期望位置向量
为
，
数 β 都是通过积分过程得到的 这种方法可弥补由
T
P
= ［x ( s) ，y ( s) ］
d d
( 1)
d
，
非微分过程得到信号的不足 即可以将噪声对闭环
s
式中 为期望路径的弧长
。
。
控制系统的影响降到最低
UUV
的实际位置向量为
P = ［x，y］
T
( 2)
T
E = ［x ，y ］
e e
，
为位置误差向量 具体可以写为
x = x － x
e
d
d
( 3)
{
y = y － y
e
UUV
的期望艏向角 ψ 完全由期望的路径得到
d
1
图
二阶滤波器结构框图
Fig． 1 Second-order filter block diagram
路径跟踪控制器设计
Lyapunov
y' ( )
ε
d
= arctan
( 4)
ψ
d
(
)
x' ( s)
d
1. 4
北东坐标系下的跟踪误差可以表示为
，
本文基于
理论和反步法控制理论 同
T
E = R ( ) P
ψ
( 5)
1. 3
，
节设计的二阶滤波器 设计了领航者路
时引入
e
其中
。
径跟踪控制器
P = P － P ，
ψ
e
=
－
ψ ψ
Lyapunov
构造
函数为
d
e
F
cos
sin
ψ
ψ
1
1
2
T
2
R ( ) =
ψ
V
=
x +
e
y
( 10)
[
]
求导 得路径跟踪误差方程为
xy
e
2
2
－ sin
cos
ψ
ψ
( 10)
，
求导 并将
( 6)
式代入可得
对式
( 5)
，
对式
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