طراحي كنترل‌كننده‌هاي غيرخطي زمان-محدود مقاوم براي زيردريايي شش درجه آزادي به منظور رديابي مسير

Design of Robust Finite-Time Nonlinear Controllers for a 6- DOF Autonomous Underwater Vehicle for Path Tracking Objective

در اين مقاله، ابتدا معادلات سينماتيكي و ديناميكي توصيف‌كننده‌ي مدل حركت و مانور زيردريايي شش درجه آزادي ارائه مي‌شوند. در ادامه، با تعميم روش كنترل مد لغزشي ترمينال غيرتكين، سه دسته‌ي مجزا از ورودي‌هاي كنترلي براي زيردريايي شش درجه آزادي داراي نامعيني (شامل نامعيني‌هاي پارامتري، ديناميك هاي مدل نشده، نيروها و اغتشاش هاي ناشناخته وارده از اقيانوس) طراحي مي‌شوند تا با اعمال هر دسته از ورودي‌هاي پيشنهادي، زيردريايي بعد از مدت زمان محدودي به مسير دلخواه و مورد نظر همگرا شود و همواره در امتداد اين مسير مانور دهد. براي هر دسته از ورودي‌هاي كنترلي، سطوح لغزشي غيرخطي متفاوتي پيشنهاد شده‌اند كه داراي چندين پارامتر اختياري و آزاد مي‌باشند. هم‌چنين، در فرآيند اثبات پايداري زمان-محدود سيستم حلقه‌بسته‌ي زيردريايي، براي هر كلاس از ورودي‌هاي كنترلي طراحي‌شده يك نامساوي كاربردي استخراج مي‌شود تا زمان محدود مورد نياز براي همگرايي به مسير مورد نظر را تعيين كند. سه نامساوي حاصله نشان مي‌دهند كه زمان‌هاي محدود همگرايي، به شرايط اوليه زيردريايي و پارامترهاي اختياري و آزاد موجود در ورودي‌هاي كنترلي بستگي دارند. در انتها‌، ورودي‌هاي كنترلي پيشنهادي به صورت جداگانه بر روي مدل معروف زير دريايي NPS AUV II مورد شبيه‌سازي كامپيوتري قرار مي‌گيرند. نتايج حاصل از شبيه‌سازي‌ها نشان مي‌دهند تمامي ورودي‌هاي پيشنهادي قادرند تا هدف رديابي زمان-محدود را به خوبي برآورده سازند.

In this paper, kinematic and dynamic equations of a 6-DOF (Degree Of Freedom) autonomous underwater vehicle (6-DOF AUV) are introduced and described completely. By developing the nonsingular terminal sliding mode control method, three separate groups of control inputs are proposed for the autonomous underwater vehicle subjected to uncertainties including parametric uncertainties, unmodeled dynamics, and unknown disturbances from ocean. All classes of suggested inputs are able to steer the mentioned underwater vehicle to the desired path within finite times. For all of them, innovative nonlinear sliding surfaces are defined possessing several optional parameters. The global finite-time stability is proven for the closed-loop system of the aforementioned underwater vehicle injected by each class of proposed inputs. More, three applicable inequalities are derived to determine the convergence finite times related to suggested inputs. Obtained inequalities reveal that the mentioned finite times are dependent on initial conditions and optional parameters of control inputs. Finally, three suggested inputs are separately simulated on the Naval Postgraduate School Autonomous Underwater Vehicle II (NPS AUV II). Simulation results illustrate that all proposed inputs can fulfill the trajectory tracking objective for the NPS AUV II properly.