桑宏强, 于佩元, 孙秀军

基于航向补偿的水下滑翔机路径跟踪控制方法

桑宏强1,2, 于佩元1, 孙秀军3,4*

(1. 天津工业大学 机械工程学院, 天津, 300387; 2. 天津市现代机电装备技术重点实验室, 天津, 300387; 3. 中国海洋大学 物理海洋教育部重点实验室, 山东青岛, 266100; 4. 青岛海洋科学与技术国家实验室 海洋动力过程与气候功能实验室, 山东 青岛, 266237)

针对水下滑翔机在内部模型非线性和外界环境干扰下的水平路径跟踪控制问题, 文中以水下滑翔机Petrel-II 200动力学模型作为闭环控制系统仿真平台, 提出一种包含积分视向导航(ILOS)、基于航向补偿(HC)的滑模控制(SMC)及粒子滤波(PF)的路径跟踪控制方法。通过ILOS算法实时更新水下滑翔机的期望航向角, 基于航向补偿的滑模控制算法用于消除航向控制中的稳态误差, 在反馈回路引入粒子滤波器削弱过程噪声及测量噪声的干扰, 给出完整的路径跟踪控制模型, 并从不同方面进行了仿真验证。由数值仿真结果可知, 与传统的比例-积分-微分(PID)控制相比, 文中所提方法在方波航向跟踪中航向平均误差减小80.14%, 均方根误差减小4.1%; 正弦航向中最大航向误差减小40.9%, 标准差减小3.6%, 同时避免了舵角输出的高频震荡, 有效地降低了能耗。在滤波仿真中, 粒子滤波可以滤除80%的固定航向噪声与90%随机航向噪声。在路径跟踪仿真中, 所提方法能有效地对期望路径进行跟踪。上述仿真结果验证了所设计路径跟踪控制方法的有效性。

水下滑翔机; 积分视向导航算法; 粒子滤波; 滑模控制; 航向补偿