中文題目：基于MPC和變論域S面算法的過驅動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/見刊時間：2024年2月27日

作者列表：

1） 許   鋒 中國石油大學（北京）信息科學與工程學院/人工智能學院 自動化系 副教授

2） 張   磊 中國石油大學（北京）信息科學與工程學院/人工智能學院 控制工程專業 碩 21

3） 仲繼彬 海洋石油工程股份有限公司 高級工程師

摘要:

自主水下機器人(AUV，Autonomous Underwater Vehicle)廣泛應用于海底管道的巡檢，針對AUV巡檢過程中受不確定性洋流干擾影響導致軌跡跟蹤精度低、實時性差的問題，本文設計了一種新型的基于MPC和變論域S面算法的雙閉環控制器，實現了過驅動AUV在不確定性洋流干擾下的三維軌跡跟蹤。本文將MPC作為外環位置控制器，變論域S面控制器作為內環速度控制器，實現對整個軌跡的閉環跟蹤。設計外環的MPC控制器時，考慮了系統的實際控制輸入約束，引入控制增量減少控制模型誤差和AUV實際模型參數受不確定性外界干擾的影響；設計內環的變論域S面控制器時，結合了變論域模糊控制器的強魯棒性和S面算法的易構造特性，同時引入積分作用以提高系統的速度跟蹤精度；兩個控制器在設計時均使用了Lyapunov方法分析了閉環系統的穩定性。最后通過仿真表明過驅動AUV在不確定性洋流干擾下，跟蹤過程迅速、實時性強、跟蹤結果精度高，證明了所設計的雙閉環控制器的有效性。

背景與動機:

自主水下航行器(AUV)能夠在各種復雜的水下環境中執行任務，并廣泛應用在海洋調查和研究、海洋資源勘探、海底管道和電纜檢查等領域。過驅動AUV由于有更多的執行器和控制輸入，相比于欠驅動AUV，它擁有更高的機動性和控制能力，拓展了AUV的任務能力和應用范圍。為了保證過驅動AUV能夠安全、穩定、準確快速地完成各種水下特殊任務，需要對其三維軌跡跟蹤控制技術進一步研究。然而，過驅動AUV的模型具有非線性性、耦合效應以及動態建模復雜性，其對建模誤差、環境變化和執行器故障等不確定性因素更加敏感，這些特點使得過驅動AUV的控制器設計和分析更加復雜，因此，過驅動AUV的魯棒和精確控制十分重要。

設計與實現:

文章首先建立了過驅動AUV的運動學和動力學模型，設計了推力分別配方案。

圖1 過驅動AUV運動學模型

圖2 過驅動AUV動力學模型

MPC可以有效處理過驅動AUV的多自由度控制問題，可充分考慮AUV的模型和約束條件。變論域S面控制器為經典S面控制算法與變論域模糊方法的結合體，新的算法結合了變論域模糊控制器的強魯棒性和S面算法的易構造特性，進一步簡化了控制器的設計。為了解決水下航行器的軌跡跟蹤控制問題，將MPC與變論域S面算法結合，設計了一種新型的基于MPC和變論域S面算法的雙閉環控制器。

圖3 過驅動AUV控制方框圖

實驗結果及分析:

分別在無海流干擾和有海流干擾的條件下，仿真對比以MPC和PID結合的雙閉環控制器方法對參考三維曲線軌跡的跟蹤效果。

圖4 有干擾下三維曲線軌跡跟蹤效果

當AUV執行軌跡跟蹤任務時，在加入持續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，初始階段偏離參考軌跡的幅度較小，且能在很短的時間快速地跟蹤上參考軌跡，而方法1的實際運行軌跡具有明顯的波動，抗干擾能力較差。

小結:

借鑒級聯控制理論的思想，使用MPC和改進的變論域S面算法分別設計了運動學和動力學控制器，并使用Lyapunov函數分析了內環和外環的穩定性。在加入持續的不確定性海流干擾后，過驅動AUV仍能實現對三維曲線軌跡的快速精準跟蹤，所設計的雙閉環控制器抗干擾能力強，魯棒性高，軌跡跟蹤響應快。運動學控制器設計中考慮了實際模型的線速度和角速度的約束，可實時解算出當前時刻的最優控制律，控制增量輸入的引入增強了系統的魯棒性，減少了由于線性化運動學模型帶來的誤差和外界干擾對AUV模型參數的不確定性影響。建模過程中考慮過驅動AUV的推進器空間布置模型，采用接近最優能耗的直接邏輯法分配推力，建模過程更加精細，更加接近實際AUV模型。本文的動力學控制器的設計簡單，相比于常規的PID控制器，參數調節過程快速方便。

作者簡介

許鋒，中國石油大學（北京）信息科學與工程學院/人工智能學院副教授、碩士生導師?？蒲泄ぷ魃婕翱刂评碚摷皯?、生產過程的先進控制與優化、化工過程的流程模擬與分析、過程控制與工藝設計一體化研究等，長期從事煉油化工過程軟測量與先進控制、流程模擬與實時優化等技術開發與工程應用工作。