طراحي كنترل‌كننده‌ي پيش‌بين مقيد براي شناور زيرسطحي هوشمند و بهينه‌سازي زمان محاسبات در حضور اغتشاشات

Design of Constrained Predictive Controller for Autonomous Underwater Vehicle and Optimization of Computation Time in the Presence of Disturbances

در اين مقاله كنترل‌كننده‌ي پيش‌بين مقيد با استفاده از توابع لاگر براي كنترل سمت و عمق يك شناور زيرسطحي هوشمند در حضور اغتشاشات طراحي شده است. شناور زيرسطحي هوشمند به دليل ديناميك غيرخطي كوپل‌شده، نامعيني‌هاي پارامتري و اغتشاشات خارجي ناشي از محيط زير آب داراي پيچيدگي زيادي است. علاوه بر اين شناور زيرسطحي در نظرگرفته شده در اين مقاله، داراي قيود موجود بر روي عملگرها مي‌باشد كه اين محدوديت‌ها بر پيچيدگي كنترل آن افزوده است. در اين تحقيق ابتدا ديناميك غيرخطي شناور زيرسطحي هوشمند مدل‌سازي مي‌شود و در ادامه طراحي كنترل‌كننده پيش‌بين مقيد انجام مي‌شود. در طراحي كنترل‌كننده‌ي پيش‌بين مقيد از توابع متعامد لاگر به منظور بهينه‌سازي و كاهش بار محاسباتي در بازه زماني استفاده شده است. از مزاياي كنترل‌كننده‌ي طراحي شده مي‌توان به برخط و بهينه بودن، دقت بالا، قابليت پياده‌سازي، برخورد هدف‌مند با قيود و همچنين دارا بودن خواص مقاوم در برابر اغتشاشات اشاره كرد. به منظور نشان دادن كارايي روش، كنترل‌كننده‌ي پيشنهادي بر روي شناور زيرسطحي مورد نظر شبيه‌سازي شده و مقايسه‌اي بين زمان محاسبات كنترل‌كننده با استفاده از توابع لاگر و بدون استفاده از آن صورت گرفته است. نتايج شبيه‌سازي، كارايي و موثر بودن كنترل‌كننده ارائه شده را به خوبي نشان مي‌دهد.

In this paper, a constrained predictive controller is designed using Laguerre functions to control the depth and steering of an autonomous underwater vehicle considering underwater disturbances. Due to under-actuated nonlinear coupled dynamics, parameters uncertainty, external underwater disturbances autonomous underwater vehicles are complicated. Moreover, the underwater autonomous vehicle investigated in this study includes constraints on actuators leading a more complex problem. In this study, first, the nonlinear dynamics of the autonomous underwater vehicle utilized for the controller design has been modeled. Then, Laguerre orthogonal functions were used in the constrained predictive controller design for reducing computational time and accelerating optimization process. Optimized, online, high precision, implementation capability, consider constraints purposefully and robust properties against disturbances can be mentioned as the most important advantages of designed controller. In addition, predictive control method is robust against disturbances. To monitor the methods’ performance, the autonomous underwater vehicle was modeled and then a comparison between the controller's calculation time with and without the Laguerre functions was also represented. At the end, the simulation results obtained from this controller, using Laguerre functions, showed the efficiency and effectiveness of the proposed solution.