UUV近海底地形跟踪策略及控制方法研究

摘要

无人水下航行器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）是一种具有自主能力的水下运载工具，在军事、科学和经济等领域都有广泛应用，能够完成情报搜集、地形地貌勘测、沉船打捞、海底搜救等任务。在执行这些任务，尤其是海底地形地貌勘测时，为获得更加精确的信息，需要UUV与海底保持较近的稳定高度，即近海底地形跟踪。然而，在实际海洋环境中，海底地形未知且崎岖不平，这就导致UUV实现地形跟踪的难度大、效率低。正因如此，研究在未知环境下UUV的近海底地形跟踪问题具有非常重要的理论意义及实用价值。 本文针对UUV在未知环境中的近海底地形跟踪问题提出了一种根据地形特征制导的跟踪策略。首先，通过对近海底地形跟踪问题的分析，设计了三个单波束探测声纳探测海底地形的基础架构;其次，基于单波束测距声纳的测距融合信息进行海底地形特征提取;最后，提出根据地形特征确定UUV航行高度指令的近海底地形跟踪策略。 本文针对三维未知海底地形跟踪问题，提出一种UUV近海底跟踪控制架构。它将三维海底地形跟踪转化为水平面和垂直面的联合控制，即UUV在水平面上跟踪期望的二维水平面航迹点，在垂直面上根据近海底地形跟踪策略，采用反步法设计高度控制器控制UUV的航行高度，从而实现UUV对三维近海底地形的实时跟踪。 本文使用MATLAB软件对上述控制策略及方法进行了仿真验证。首先，建立了四种典型二维海底地形模型即上坡地形、下坡地形、凸形地形及凹形地形。通过对四种地形的跟踪，验证控制方法的实时性及有效性。然后，开展了UUV不同声纳安装角度、不同航速的地形跟踪仿真试验研究;最后，建立了复杂三维海底地形，对所提地形跟踪控制架构、跟踪策略及跟踪控制方法进行了整体验证。 通过仿真试验验证，本文所提出的近海底地形跟踪控制策略和控制方法不仅可以精确跟踪平缓地形，也可以有效识别并安全跟踪崎岖地形，易于工程实现，具有良好的实用价值。