基于神经网络的欠驱动水下机器人地形跟踪控制
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一
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图 ２ Ａ Ｗ 坐 标 系 示意 图 Ｉ
个 严 格 反 馈 系 统 ， 于 Ｌ ａｕｏ 基 ｙｐ ｎ ｖ稳 定 性 理 论 ，
利用 自适 应 神 经 网络 控 制 来 实 现 深 度 的 精 确 控 制 ， 过选 择 合适 的控 制 参 数 保 证 地 形 跟踪 误 差 通
东南大 学学报 （ 自然科 学版 ）
第４ ２卷
跟 踪 控制 器 需要 解 决 如下 难题 ： ＵＶ动 力 学 的 高 Ａ 度 非 线性 和 水 动 力 系 数 的 非 线 性 变 化 难 于 精 确 估 计 的 问题 ． 自适 应 控 制 是 处 理 模 型 参 数 不 确 定 问题 的 有效 方 法 ， 其 仅对 ＡＵ 的模 型不 确 但 Ｖ 定 参 数估 计 有 效 ， 未 建 模 动 态 却 无 能 为 力 ． 对 神 经 网络是 估 计 动 态 系 统 不 确 定 非 线 性 部 分 的 有 力 工 具 ¨ Ｊ由于神 经 网络 的逼 近 能力 和学 习 能 ， 力 ， 文 将 采 用 自适 应 神 经 网 络 控 制 方 法 设 计 本 ＡＵ Ｖ地 形 跟 踪 控 制 器 ． 择 Ｒ Ｆ神 经 网 络 估 计 选 Ｂ 模 型不 确 定性 ， 时设 计 自适 应 律来 保 证 最 优 的 同 权值 估 计 ． Ａ 将 ＵＶ 的 地 形 跟 踪 控 制 模 型 简 化 为
择 实 际测量得 到 的期 望 随机真 实地 形 进 行 跟踪 实 验 ， 且 要 求 Ａ Ｖ 相对 地 形 保 持 一个 恒 定 的 并 Ｕ
高度 偏 差． 结果 表 明 ， 该控 制方 法可 以有 效地 降低模 型非 线 性和 不确 定 性 引起 的扰 动 ， 有 较 高 具
的跟踪 精度 ， 满足 实 际工程 需求．
摘 要 ： 实现 欠驱 动 自治水下机 器 人（ Ｕ 的精 确地 形 跟踪 控 制 ， 计 了一种 自适 应 神经 网络 为 Ａ Ｖ） 设
控制 器．采用 径 向基神 经 网络估计 时 变水动 力 阻尼 引起 的 Ａ ＵＶ模 型 不确 定部 分 和 外界 海 流 干 扰， 设计 自适应 学 习律 来 实现 神经 网络权值 的最 优估 计． 于李 雅普 诺夫 稳定 性理论 分析 了跟 踪 基 控 制 系统 的稳定 性 ， 设计 的控 制器 可 以使 闭环误 差 系统渐 近稳定 且 系统状 态有 界． 真 实验 中选 仿
ｉ ｇ ａ ｃ ａ ｙ ｆ ｒｅ ｇｉ ｅ ｒｎｇ ａ ｌｃ ｔｏｎ． ｎ ｃ ｕｒ ｃ ｏ ｎ ｎ ｅ ｉ ｐｐ ｉ ａｉ Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｕ ｄ ｒ ｃｕ ｔｄ ａ ｏ ｏ ｏ ｓ ｕ ｄ ｒ ａｅ ｅ ｉｌ ｂｏｔ ｍ ｆ ｌｏ ｎ ｏ ｔｏ ； ｎｅ ｒ ｌ ｎ ｔ ｎ ｅ ａ ｔ ａ ｅ ｕｔ ｎ ｍ ｕ ｎ ｅ ｗ ｔ ｒ ｖ ｈ ｃｅ； ｔ ｏ ｏ ｌ ｗｉ ｇ ｃ ｎｒ ｌ ｕ ａ ｅ — ｗｏ ｋ； ａ ｎ ｖ ｓａ ｉｉ ｒ Ｌｙ ｐｕ ｏ ｔｂ ｌ ｙ ｔ
海洋 石油 勘探 、 深海 科学调 查 、 海洋 资源开 发 、 大范
围海 洋环 境调查 、 底地 形 勘 测 、 洋 管线 检测 及 海 海
的非完 整约束 条 件
踪 控制 更加 困难 ．
， 而 令 其 实现 地 形精 确 跟 从
军事上都发挥着重要作用…． Ｕ Ａ Ｖ地形精确跟踪
能力 是实 现海底 搜 索 、 管道 跟踪 和光 缆维 护等 作业
趋 向于 零 ．
忽略横 摇 、 荡 和 艏摇 ， 化 的 动力 学 方 程 可 横 简 以表示 为 ㈣
ｘ ｖ ， ） Ｌｘ 口 ＋ （， ６ ＝ 。 ４ 讧 ｘ ＋ ｗ ］ ［ ｘ ｑ ＋ １ ［ ｌ＋ ｗ ＋ Ｕ ＋ ｘ ｚ ｘ ｘ ｗ Ｗ］ ２
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如 图 １ 示． 。 …， 所 Ｐ ， Ｐ 表示 Ａ ＵＶ的位 置 ；ｏ 指令 为
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基 于 神 经 网 络 的 欠 驱 动 水 下 机 器 人 地 形 跟 踪 控 制
段海庆 贾鹤 鸣 周佳 加 杨 鑫
（哈 尔 滨 工 程 大 学 自动 化 学 院 ， 哈尔 滨 １００ ） ５ ０ １ （东 北 林 业 大 学 机 电工 程 学 院 ， 尔滨 １０４ ） 哈 ５ ０ ０
ｗａｅ ｖ ｈｃｅ（ Ｖ）ａｃ ｒｔｌ ，ａ ｄ ｐｉｅｎ ｕａ ｎ ｔ ｒ ｏ ｔ ｌ ｒ ｓｄ ｓ ｎ ｄ ｎｏｄ ｒ ｏ ｔｒ ｅ ｉｌ ＡＵ ｃ ｕａ ｙ ｎａ ａ ｔ ｅ ｒｌ ｅ ｅ ｖ ｗｏｋｃ ｎｒ ｌ ｅｉ ｅ ．Ｉ ｒｅ ｏｅ ｉ ｇ ｔ
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关键 词 ：欠驱动 自治水 下机 器人 ； 形 跟踪控 制 ； 地 神经 网络 ； 李雅 普诺夫 稳定 性
中图分 类号 ： Ｐ ４ ． Ｔ ２ ２６ 文献标 志码 ： Ａ 文 章编 号 ：１０ ０ ０ （ ０ ２ Ｓ －２ ３０ ０ １— ５ ５ ２ １ ） １０ ０ －５
Ｂｏ ｔ ｍ ｏｌ ｗｉ ｇ ｃ ｎ ｒ ｌｆ ｒ ｕ ｄ ｒ ｃｎａ ｅ ｔｏ ｆ ｌ ｏ ｎ ｏ ｔｏ ｏ ｎ ｅ ａ ｔ ｔ ｄ ＡＵＶ ａ ｅ ｎ ｎ ｕ ａ ｅ ｗｏ ｋ ｂ ｓ ｄ ｏ ｅ ｒ ｌｎ ｔ ｒ
第４ ２卷 增刊 （ ） Ｉ
２１ ０ ２年 ９月
东 南 大 学 学 报 （自然科 学版）
Ｊ Ｒ ＯＵ ＮＡＬＯＦＳ Ｔ Ｅ ＴＵＮ Ｖ Ｒ Ｉ Ｙ （ ａ ｒｌ ｃ ｎｅＥ ｉｏ ） ＯＵ Ｈ ＡＳ ／ Ｅ ＳＴ Ｎ ｔ ａ ｉ ｃ ｄｔ ｎ ｕｕ （） Ｓ ｐｔ ２ ２ ｅ ． ０１
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．
１ 水 下机 器 人 动 力 学
１ １ 问题描 述 ．
地形跟 踪 的 主 要 目的是 使 得 Ａ Ｖ 与 海 底 保 Ｕ 持一 定 的高度 ， 海底 管线进 行勘 察或 者对某 一海 对 域利用 侧扫 声纳 勘测． 通过 高度计 和深度 计 的测 量 值 ， 高 问题 可 以转 化 为 深度 控 制 问 题 ， 定 具体 方 案
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目前 ， 于 ＡＵ 地 形 跟 踪 控 制 的理 论 研 究 关 Ｖ
已取 得一 定 的成果 １ ． 欠 驱 动 ＡＵ 设 计 地 形 对 Ｊ Ｖ
收稿 日期 ： ０２０ －６ 作者简介 ： ２ １ －５１ ． 段海庆 （９ ７ ） 男 ， １７ 一 ， 博士生 ； 贾鹤鸣（ 系人 ） 男 ， 联 ， 博士 ， 副教授 ，ａ ｅ ｎ ｌｃｙ ９ ２ ．ｏ ｊ ｈｍｉｇｕｋ９ ＠１６ ｃ ｍ． ｉ 引文格式 ： 段海庆 ， 贾鹤鸣 ， 周佳加 ， ． 于神经 网络的欠驱动水下机 器人地形 跟踪控制 ［ ］ 东南 大学学报 ： 等 基 Ｊ． 自然科学版 ，０２，２（ １ ２１ ４ ｓ ） ２ ３ ０ ．［ ｏ：０ ３６ ／．ｓ ．０ １ ０ ０ ．０ ２ Ｓ ．４ ］ ０ —２ ７ ｄ ｉ１．９ ９ ｊｉｎ １０ — ５５ ２ １． １０ １ ｓ
随 着 海 洋 机 器 人 技 术 的 迅 猛 发 展 ， 年 来 近
Ａ ＵＶ 已经 成为 海洋 调查 方法 研究 的热 点． Ｖ 在 ＡＵ
任 务 的重要技 术前 提 ＿ ． ２ 由于 本文 研 究 的 Ａ Ｖ 在 Ｊ Ｕ 垂 向上无 推进 器 ， 有欠 驱 动特性及 加速 度不 可积 具
（ Ｊ 升
图 ２ Ａ Ｗ 坐 标 系 示意 图 Ｉ
个 严 格 反 馈 系 统 ， 于 Ｌ ａｕｏ 基 ｙｐ ｎ ｖ稳 定 性 理 论 ，
利用 自适 应 神 经 网络 控 制 来 实 现 深 度 的 精 确 控 制 ， 过选 择 合适 的控 制 参 数 保 证 地 形 跟踪 误 差 通
东南大 学学报 （ 自然科 学版 ）
第４ ２卷
跟 踪 控制 器 需要 解 决 如下 难题 ： ＵＶ动 力 学 的 高 Ａ 度 非 线性 和 水 动 力 系 数 的 非 线 性 变 化 难 于 精 确 估 计 的 问题 ． 自适 应 控 制 是 处 理 模 型 参 数 不 确 定 问题 的 有效 方 法 ， 其 仅对 ＡＵ 的模 型不 确 但 Ｖ 定 参 数估 计 有 效 ， 未 建 模 动 态 却 无 能 为 力 ． 对 神 经 网络是 估 计 动 态 系 统 不 确 定 非 线 性 部 分 的 有 力 工 具 ¨ Ｊ由于神 经 网络 的逼 近 能力 和学 习 能 ， 力 ， 文 将 采 用 自适 应 神 经 网 络 控 制 方 法 设 计 本 ＡＵ Ｖ地 形 跟 踪 控 制 器 ． 择 Ｒ Ｆ神 经 网 络 估 计 选 Ｂ 模 型不 确 定性 ， 时设 计 自适 应 律来 保 证 最 优 的 同 权值 估 计 ． Ａ 将 ＵＶ 的 地 形 跟 踪 控 制 模 型 简 化 为
择 实 际测量得 到 的期 望 随机真 实地 形 进 行 跟踪 实 验 ， 且 要 求 Ａ Ｖ 相对 地 形 保 持 一个 恒 定 的 并 Ｕ
高度 偏 差． 结果 表 明 ， 该控 制方 法可 以有 效地 降低模 型非 线 性和 不确 定 性 引起 的扰 动 ， 有 较 高 具
的跟踪 精度 ， 满足 实 际工程 需求．
摘 要 ： 实现 欠驱 动 自治水下机 器 人（ Ｕ 的精 确地 形 跟踪 控 制 ， 计 了一种 自适 应 神经 网络 为 Ａ Ｖ） 设
控制 器．采用 径 向基神 经 网络估计 时 变水动 力 阻尼 引起 的 Ａ ＵＶ模 型 不确 定部 分 和 外界 海 流 干 扰， 设计 自适应 学 习律 来 实现 神经 网络权值 的最 优估 计． 于李 雅普 诺夫 稳定 性理论 分析 了跟 踪 基 控 制 系统 的稳定 性 ， 设计 的控 制器 可 以使 闭环误 差 系统渐 近稳定 且 系统状 态有 界． 真 实验 中选 仿
ｉ ｇ ａ ｃ ａ ｙ ｆ ｒｅ ｇｉ ｅ ｒｎｇ ａ ｌｃ ｔｏｎ． ｎ ｃ ｕｒ ｃ ｏ ｎ ｎ ｅ ｉ ｐｐ ｉ ａｉ Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｕ ｄ ｒ ｃｕ ｔｄ ａ ｏ ｏ ｏ ｓ ｕ ｄ ｒ ａｅ ｅ ｉｌ ｂｏｔ ｍ ｆ ｌｏ ｎ ｏ ｔｏ ； ｎｅ ｒ ｌ ｎ ｔ ｎ ｅ ａ ｔ ａ ｅ ｕｔ ｎ ｍ ｕ ｎ ｅ ｗ ｔ ｒ ｖ ｈ ｃｅ； ｔ ｏ ｏ ｌ ｗｉ ｇ ｃ ｎｒ ｌ ｕ ａ ｅ — ｗｏ ｋ； ａ ｎ ｖ ｓａ ｉｉ ｒ Ｌｙ ｐｕ ｏ ｔｂ ｌ ｙ ｔ
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踪 控制 更加 困难 ．
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趋 向于 零 ．
忽略横 摇 、 荡 和 艏摇 ， 化 的 动力 学 方 程 可 横 简 以表示 为 ㈣
ｘ ｖ ， ） Ｌｘ 口 ＋ （， ６ ＝ 。 ４ 讧 ｘ ＋ ｗ ］ ［ ｘ ｑ ＋ １ ［ ｌ＋ ｗ ＋ Ｕ ＋ ｘ ｚ ｘ ｘ ｗ Ｗ］ ２
Ｄｕ ｎＨａ ｉｇ Ｊ ｍｉｇ Ｚ ｏ ｉ ｉ Ｙａ ｇＸ ｎ ａ ｉ ｎ ｉ Ｈｅ ｎ ｈ ｕＪ ｊ ｑ ａ ａａ ｎ ｉ
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如 图 １ 示． 。 …， 所 Ｐ ， Ｐ 表示 Ａ ＵＶ的位 置 ；ｏ 指令 为
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基 于 神 经 网 络 的 欠 驱 动 水 下 机 器 人 地 形 跟 踪 控 制
段海庆 贾鹤 鸣 周佳 加 杨 鑫
（哈 尔 滨 工 程 大 学 自动 化 学 院 ， 哈尔 滨 １００ ） ５ ０ １ （东 北 林 业 大 学 机 电工 程 学 院 ， 尔滨 １０４ ） 哈 ５ ０ ０
ｗａｅ ｖ ｈｃｅ（ Ｖ）ａｃ ｒｔｌ ，ａ ｄ ｐｉｅｎ ｕａ ｎ ｔ ｒ ｏ ｔ ｌ ｒ ｓｄ ｓ ｎ ｄ ｎｏｄ ｒ ｏ ｔｒ ｅ ｉｌ ＡＵ ｃ ｕａ ｙ ｎａ ａ ｔ ｅ ｒｌ ｅ ｅ ｖ ｗｏｋｃ ｎｒ ｌ ｅｉ ｅ ．Ｉ ｒｅ ｏｅ ｉ ｇ ｔ
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关键 词 ：欠驱动 自治水 下机 器人 ； 形 跟踪控 制 ； 地 神经 网络 ； 李雅 普诺夫 稳定 性
中图分 类号 ： Ｐ ４ ． Ｔ ２ ２６ 文献标 志码 ： Ａ 文 章编 号 ：１０ ０ ０ （ ０ ２ Ｓ －２ ３０ ０ １— ５ ５ ２ １ ） １０ ０ －５
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东 南 大 学 学 报 （自然科 学版）
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１ 水 下机 器 人 动 力 学
１ １ 问题描 述 ．
地形跟 踪 的 主 要 目的是 使 得 Ａ Ｖ 与 海 底 保 Ｕ 持一 定 的高度 ， 海底 管线进 行勘 察或 者对某 一海 对 域利用 侧扫 声纳 勘测． 通过 高度计 和深度 计 的测 量 值 ， 高 问题 可 以转 化 为 深度 控 制 问 题 ， 定 具体 方 案
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目前 ， 于 ＡＵ 地 形 跟 踪 控 制 的理 论 研 究 关 Ｖ
已取 得一 定 的成果 １ ． 欠 驱 动 ＡＵ 设 计 地 形 对 Ｊ Ｖ
收稿 日期 ： ０２０ －６ 作者简介 ： ２ １ －５１ ． 段海庆 （９ ７ ） 男 ， １７ 一 ， 博士生 ； 贾鹤鸣（ 系人 ） 男 ， 联 ， 博士 ， 副教授 ，ａ ｅ ｎ ｌｃｙ ９ ２ ．ｏ ｊ ｈｍｉｇｕｋ９ ＠１６ ｃ ｍ． ｉ 引文格式 ： 段海庆 ， 贾鹤鸣 ， 周佳加 ， ． 于神经 网络的欠驱动水下机 器人地形 跟踪控制 ［ ］ 东南 大学学报 ： 等 基 Ｊ． 自然科学版 ，０２，２（ １ ２１ ４ ｓ ） ２ ３ ０ ．［ ｏ：０ ３６ ／．ｓ ．０ １ ０ ０ ．０ ２ Ｓ ．４ ］ ０ —２ ７ ｄ ｉ１．９ ９ ｊｉｎ １０ — ５５ ２ １． １０ １ ｓ
随 着 海 洋 机 器 人 技 术 的 迅 猛 发 展 ， 年 来 近
Ａ ＵＶ 已经 成为 海洋 调查 方法 研究 的热 点． Ｖ 在 ＡＵ
任 务 的重要技 术前 提 ＿ ． ２ 由于 本文 研 究 的 Ａ Ｖ 在 Ｊ Ｕ 垂 向上无 推进 器 ， 有欠 驱 动特性及 加速 度不 可积 具