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近年来,水下无人航行器(Unmanned Underwater Vehicles, UUVs)的导航、制导与控制吸引了来自世界各地学者的极大关注，其关键原因不仅仅在于UUV不断丰富的海洋工程应用，还包括其自身多输入多输出非线性系统的理论挑战。而在众多实践应用当中，首要解决的核心问题就是UUV的精确跟踪与控制任务，尤其是三维空间轨迹跟踪控制，对其任务状态在“时间和空间”关系上提出了强约束，包括位置、姿态和速度的全状态时变控制。因此，本课题以水下无人航行器执行高速机动任务为应用背景，以横向、垂向运动不可控，横摇运动可忽略，仅配备艉部纵向推进器、垂直舵和水平舵的欠驱动UUV为研究对象，展开对其三维空间轨迹跟踪控制方法的研究，主要内容包括：
(1)非对角矩阵模型的欠驱动UUV三维轨迹跟踪控制
针对常规一类仅有xOz平面对称(左右对称)，且非对角惯性和阻尼矩阵模型的欠驱动UUV，提出指令滤波反步控制和自适应快速非奇异终端滑模控制两种方案，分别解决了其三维空间轨迹跟踪问题。不同于传统假设UUV具有三平面对称结构，其系统惯性和阻尼矩阵无法满足对角条件。首先，在指令滤波反步控制设计中，通过控制输入和状态变换修正了UUV制导系统，给出了欠驱动UUV运动学与动力学的传统对角标准型；并引入动态面控制的一阶低通滤波器，避免了反步控制设计的“复杂性膨胀”问题；最终结合Lyapunov稳定性理论，得到了闭环控制系统的一致最终有界。其次，在自适应快速非奇异终端滑模控制方法中，系统状态变换和输出重定义的引入，不仅得到了欠驱动UUV数学模型的标准对角化，而且改变了欠驱动UUV非最小相位系统；利用积分滑模和终端滑模组合，提升了系统响应和轨迹跟踪误差收敛速度；并理论分析证明了模型参数不确定和有界扰动与航行器运动速度关系表达式，给出了鲁棒自适应滑模补偿设计。最后，仿真实验验证充分说明了所提出两种控制方法，指令滤波反步控制和自适应快速非奇异终端滑模控制的有效性，能够实现非对角矩阵模型的欠驱动UUV三维轨迹精确跟踪控制。
(2)系统模型不确定的欠驱动UUV三维轨迹跟踪控制
针对欠驱动UUV三维空间轨迹跟踪遭受系统模型不确定和时变随机扰动问题，分别提出了鲁棒自适应滑模控制、基于随机时变扰动理论的反步控制和有限时间控制。首先，在鲁棒自适应滑模控制中，利用双闭环积分滑模控制器对系统模型参数和有界扰动变化不敏感来提高系统鲁棒性；改进RBF神经网络直接自适应律，保证仅有一个在线自适应参数，节省了系统逼近学习时间；条件积分器有界扰动估计的引入，完美地继承了PI控制和滑模控制优势。其次，在随机时变扰动控制设计中，利用维纳过程建立欠驱动UUV非线性随机动力学方程，并结合Lyapunov理论与反步控制，提出其三维空间轨迹跟踪控制器；为进一步提升系统响应和收敛速度，在上述反步控制基础上，扩展到有限时间控制，并结合Lyapunov稳定性理论，证明了整个闭环系统轨迹跟踪误差的一致最终有界。最后，仿真实验验证充分说明了所提出的鲁棒自适应滑模控制、基于随机时变扰动理论的反步控制和有限时间控制，均能够实现系统模型不确定的欠驱动UUV三维轨迹精确跟踪。
(3)无速度状态测量的欠驱动UUV三维轨迹跟踪控制
针对一类仅有位置和姿态信息可测，而速度状态反馈不可行的欠驱动UUV，分别基于UUV动力学模型、神经网络自适应以及生物启发模型，提出了其非线性观测器-控制器方案，保证了水下航行器在线实时速度估计，实现了其三维空间轨迹跟踪输出反馈控制。首先，针对欠驱动UUV自主水下回坞问题，提出了初始归航轨迹制导系统，并基于无扰动UUV动力学模型，设计其速度状态观测器和输出反馈控制器，保证了欠驱动UUV初始归航时三维轨迹精确跟踪；其次，考虑UUV初始归航遭受模型参数不确定和有界扰动问题，提出神经网络自适应的扩展状态观测器-控制器方案；然后，为摆脱航行器速度估计对欠驱动UUV动力学模型的依赖，针对欠驱动UUV追踪水下动目标问题，提出基于生物启发模型的状态观测器，并详细给出了系统Lyapunov稳定性分析和仿真实验验证，得到了整个闭环轨迹跟踪控制系统一致最终有界的结论。最后，分别以欠驱动UUV初始归航和水下动目标追踪的实际应用案例为任务背景，设计了其三维轨迹跟踪控制仿真案例，充分说明了所提出的非线性观测器-控制器方案收敛、有效，能够实现无速度状态测量的欠驱动UUV三维轨迹精确跟踪控制。
总而言之，整篇论文分别从UUV系统参数模型、时变随机扰动，以及系统状态观测三方面着手，提出了相应的控制方法并完成了算法设计和仿真验证，保证了高速欠驱动UUV三维空间轨迹的精确跟踪。
(1)非对角矩阵模型的欠驱动UUV三维轨迹跟踪控制
针对常规一类仅有xOz平面对称(左右对称)，且非对角惯性和阻尼矩阵模型的欠驱动UUV，提出指令滤波反步控制和自适应快速非奇异终端滑模控制两种方案，分别解决了其三维空间轨迹跟踪问题。不同于传统假设UUV具有三平面对称结构，其系统惯性和阻尼矩阵无法满足对角条件。首先，在指令滤波反步控制设计中，通过控制输入和状态变换修正了UUV制导系统，给出了欠驱动UUV运动学与动力学的传统对角标准型；并引入动态面控制的一阶低通滤波器，避免了反步控制设计的“复杂性膨胀”问题；最终结合Lyapunov稳定性理论，得到了闭环控制系统的一致最终有界。其次，在自适应快速非奇异终端滑模控制方法中，系统状态变换和输出重定义的引入，不仅得到了欠驱动UUV数学模型的标准对角化，而且改变了欠驱动UUV非最小相位系统；利用积分滑模和终端滑模组合，提升了系统响应和轨迹跟踪误差收敛速度；并理论分析证明了模型参数不确定和有界扰动与航行器运动速度关系表达式，给出了鲁棒自适应滑模补偿设计。最后，仿真实验验证充分说明了所提出两种控制方法，指令滤波反步控制和自适应快速非奇异终端滑模控制的有效性，能够实现非对角矩阵模型的欠驱动UUV三维轨迹精确跟踪控制。
(2)系统模型不确定的欠驱动UUV三维轨迹跟踪控制
针对欠驱动UUV三维空间轨迹跟踪遭受系统模型不确定和时变随机扰动问题，分别提出了鲁棒自适应滑模控制、基于随机时变扰动理论的反步控制和有限时间控制。首先，在鲁棒自适应滑模控制中，利用双闭环积分滑模控制器对系统模型参数和有界扰动变化不敏感来提高系统鲁棒性；改进RBF神经网络直接自适应律，保证仅有一个在线自适应参数，节省了系统逼近学习时间；条件积分器有界扰动估计的引入，完美地继承了PI控制和滑模控制优势。其次，在随机时变扰动控制设计中，利用维纳过程建立欠驱动UUV非线性随机动力学方程，并结合Lyapunov理论与反步控制，提出其三维空间轨迹跟踪控制器；为进一步提升系统响应和收敛速度，在上述反步控制基础上，扩展到有限时间控制，并结合Lyapunov稳定性理论，证明了整个闭环系统轨迹跟踪误差的一致最终有界。最后，仿真实验验证充分说明了所提出的鲁棒自适应滑模控制、基于随机时变扰动理论的反步控制和有限时间控制，均能够实现系统模型不确定的欠驱动UUV三维轨迹精确跟踪。
(3)无速度状态测量的欠驱动UUV三维轨迹跟踪控制
针对一类仅有位置和姿态信息可测，而速度状态反馈不可行的欠驱动UUV，分别基于UUV动力学模型、神经网络自适应以及生物启发模型，提出了其非线性观测器-控制器方案，保证了水下航行器在线实时速度估计，实现了其三维空间轨迹跟踪输出反馈控制。首先，针对欠驱动UUV自主水下回坞问题，提出了初始归航轨迹制导系统，并基于无扰动UUV动力学模型，设计其速度状态观测器和输出反馈控制器，保证了欠驱动UUV初始归航时三维轨迹精确跟踪；其次，考虑UUV初始归航遭受模型参数不确定和有界扰动问题，提出神经网络自适应的扩展状态观测器-控制器方案；然后，为摆脱航行器速度估计对欠驱动UUV动力学模型的依赖，针对欠驱动UUV追踪水下动目标问题，提出基于生物启发模型的状态观测器，并详细给出了系统Lyapunov稳定性分析和仿真实验验证，得到了整个闭环轨迹跟踪控制系统一致最终有界的结论。最后，分别以欠驱动UUV初始归航和水下动目标追踪的实际应用案例为任务背景，设计了其三维轨迹跟踪控制仿真案例，充分说明了所提出的非线性观测器-控制器方案收敛、有效，能够实现无速度状态测量的欠驱动UUV三维轨迹精确跟踪控制。
总而言之，整篇论文分别从UUV系统参数模型、时变随机扰动，以及系统状态观测三方面着手，提出了相应的控制方法并完成了算法设计和仿真验证，保证了高速欠驱动UUV三维空间轨迹的精确跟踪。