基于模型未知约束的无人水下船有限时间路径跟踪控制

刘承蔚 于浩淼 图雅 肖军 李婉然

第一作者：刘承蔚

通讯作者：于浩淼

第一单位：大连东软信息学院智能与电子工程学院

论文链接：

https://doi.org/10.1080/17445302.2025.2453209 

成果简介

近日，大连东软信息学院智能与电子工程学院刘承蔚、图雅、李婉然在JCR二区期刊Ships and Offshore Structures上发表了题为Finite-time path following control for UUV with unknown model constraints的论文。

引言

本文聚焦于受外部时变干扰和模型未知约束影响的欠驱动无人水下航行器（UUV）的路径跟踪问题。提出了一种整合有限时间视线法（FTLOS）、径向基函数（RBF）神经网络和切换非奇异终端滑模（SNTSMC）的控制策略。首先，FTLOS 制定路径跟踪制导律，使位置误差在有限时间内收敛到零附近的小区域。SNTSMC 稳定速度误差，确保它们更精确地收敛到零邻域。接下来，RBF 神经网络逼近由未知模型约束和外部时变干扰组成的组合未知项，然后将该逼近项补偿到控制力和力矩中。最后，在 NUTU 型 UUV 上进行了仿真实验，结果验证了该 UUV 能够在有限时间内跟踪期望路径并保持在该路径上。 

成果介绍

本文针对受外部时变干扰与未知模型约束作用的欠驱动无人水下航行器（UUV）路径跟踪难题，提出了一种融合有限时间视线法（FTLOS）、径向基函数（RBF）神经网络以及切换非奇异终端滑模（SNTSMC）的控制策略。

无人系统运动控制主要分为路径跟踪控制和轨迹跟踪控制，轨迹跟踪对时间有严格的要求，需要某时到达某地。路径跟踪对时间无严格要求，只要完成作业任务即可，更适用于实际应用场景中。而UUV运动模型的强耦合性又是一个控制的难点。UUV路径跟踪控制可以分为制导律设计和控制律设计，本文提出FTLOS制导法，可以有限时间使位置误差收敛为零，又提出SNTSMC使速度误差收敛为零，并且利用RBF神经网络逼近补偿位置模型约束。仿真结果表明，该控制策略可以使UUV很好地完成路径跟踪任务。

图1 UUV路径跟踪三维示意图    

图2 UUV三维路径跟踪仿真            

图3 控制力与力矩

图4 模型未知观测

第一作者简介

刘承蔚，硕士，助教，大连东软信息学院智能与电子工程学院智能与通信工程系专任教师。研究方向为船舶运动控制、智能控制，发表SCI论文一篇，EI期刊论文一篇，软著三篇。2024年铜牌竞赛指导教师，指导学生全国大学生智能汽车竞赛国二等级，ICAN AI视觉检测大赛国三等奖，各类比赛省奖十余项。