Gliding in extreme waters: Dynamic Modeling and Nonlinear Control of an Agile Underwater Glider

要約

この論文では、制限された領域で柔軟な操縦が可能なカスタムメイドの水中グライダーのモデル化について説明し、制御システムを提案します。
外部アクチュエーターが不足しているため、水中グライダーは環境の擾乱によって大きな影響を受ける可能性があります。
さらに、システムの非線形性は、各飛行セグメント間の移行中の動きに影響を与えます。
ここでは、水中モーション キャプチャ システムを使用して水中グライダーの非線形力学モデルを特定するために、データ駆動型パラメーター推定実験方法論を提案します。
次に、環境外乱、潜在的なモデリング誤差、および飛行状態遷移中の非線形性を克服するために、リアプノフ関数に基づいて非線形システム コントローラーが設計されます。
環境撹乱の影響を軽減する能力はシミュレーションで検証されています。
定常状態の飛行を維持するために PID コントローラーを適用するハイブリッド制御システムと、状態間を切り替えるために提案されたコントローラーも、シミュレーションで複雑な操縦を実行することによって実証されます。
提案された制御システムは、海況が季節ごとに穏やかから荒れまで変化する可能性があるフィヨルドなどの動的な水域で信頼性の高い航行を行うためにグライダーに適用できます。

要約(オリジナル)

This paper describes the modeling of a custom-made underwater glider capable of flexible maneuvers in constrained areas and proposes a control system. Due to the lack of external actuators, underwater gliders can be greatly influenced by environmental disturbance. In addition, the nonlinearity of the system affects the motions during the transition between each flight segment. Here, a data-driven parameter estimation experimental methodology is proposed to identify the nonlinear dynamics model for our underwater glider using an underwater motion capture system. Then, a nonlinear system controller is designed based on Lyapunov function to overcome environmental disturbance, potential modeling errors, and nonlinearity during flight state transitions. The capability of lowering the impact of environmental disturbance is validated in simulations. A hybrid control system applying PID controller to maintain steady state flights and the proposed controller to switch between states is also demonstrated by performing complex maneuvers in simulation. The proposed control system can be applied to gliders for reliable navigation in dynamic water areas such as fjords where the sea conditions may vary from calm to rough seasonally.

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