Adaptive Integral Sliding Mode Control for Attitude Tracking of Underwater Robots With Large Range Pitch Variations in Confined Space

要約

水中ロボットは、水生環境の探索において重要な役割を果たします。
水中ロボットが限られた空間で効率的にタスクを遂行するには、姿勢を柔軟に調整する能力が不可欠です。
ただし、姿勢変化から生じる 6 自由度のダイナミクスと限られた空間領域内の複雑な乱流が高度に結合しているため、大きな課題が生じます。
水中ロボットの姿勢制御の問題に対処するために、このレターでは、ステーション保持中の広範囲のピッチ角追跡と、多用途な姿勢調整を可能にするロール角とヨー角の同時制御を調査します。
この文書は、動的モデリングに基づいて、積分モジュールを従来のスライディング モード コントロール (SMC) に統合し、スイッチング ゲインを適応的に調整してトラッキング精度の向上、チャタリングの低減、堅牢性の向上を実現する適応型積分スライディング モード コントローラ (AISMC) を提案します。
閉ループ制御システムの安定性は、リアプノフ解析によって確立されます。
市販の遠隔操作車両 (ROV) を使用して広範な実験と比較研究が行われ、その結果、AISMC が未知の外乱のある限られた空間での姿勢追跡制御において満足のいく性能を達成し、PID と SMC の両方を大幅に上回ることが実証されました。

要約(オリジナル)

Underwater robots play a crucial role in exploring aquatic environments. The ability to flexibly adjust their attitudes is essential for underwater robots to effectively accomplish tasks in confined space. However, the highly coupled six degrees of freedom dynamics resulting from attitude changes and the complex turbulence within limited spatial areas present significant challenges. To address the problem of attitude control of underwater robots, this letter investigates large-range pitch angle tracking during station holding as well as simultaneous roll and yaw angle control to enable versatile attitude adjustments. Based on dynamic modeling, this letter proposes an adaptive integral sliding mode controller (AISMC) that integrates an integral module into traditional sliding mode control (SMC) and adaptively adjusts the switching gain for improved tracking accuracy, reduced chattering, and enhanced robustness. The stability of the closed-loop control system is established through Lyapunov analysis. Extensive experiments and comparison studies are conducted using a commercial remotely operated vehicle (ROV), the results of which demonstrate that AISMC achieves satisfactory performance in attitude tracking control in confined space with unknown disturbances, significantly outperforming both PID and SMC.

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