基于模型预测的UUV叉柱式回收控制方法研究

摘要

近年来，随着海洋的发.展愈来愈迅速，人们对海洋的探索欲愈来愈强烈，因此，用途广泛的水下无人航行器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）被广泛关注。然而，在UUV完成作业指令后，需要对UUV进行回收来完成能量补给和数据下载。UUV的回收是UUV的使用流程中很重要的一步，考虑到安全因素，UUV的自主回收变得愈加重要，回收过程的控制要求也随着变得重要。为此，本文基于一种新的UUV自主回收方式——叉柱式回收方式，设计回收过程中的控制器。针对宽广水域下的空间运动、近壁面环境下的垂直面运动和海流干扰下的水平面运动，运用模型预测控制算法分别对UUV的返航阶段和对接阶段展开研究工作，具体研究内容如下： 首先，简要阐述了欠驱动UUV叉柱式回收方式的具体过程，将回收过程分为返航阶段和对接阶段；建立了UUV空间六自.由度运动模型，并分析了模型的特性给控制器的设计带来的影响；给出了本文所用的模型预测控制算法的基本原理和特点，并介绍了反馈线性化的基本知识点，为后续控制器的设计做好铺垫。 然后，对于叉柱式回收的返航阶段，欠驱动UUV是在宽广水域进行空间运动的。对UUV的空间六自由度模型进行简化处理，基于状态空间模型给出了UUV系统的预测模型，针对系统的非线性，运用一种连续时间广义模型预测控制算法——解析模型预测控制算法对预测模型进行处理，利用李导数和反馈线性化对性能指标进行求解，求出最优控制律，作为UUV三维路径跟踪的控制器；通过Lyapunov理论证明闭环系统的稳定性；运用仿真验证所设计的三维路径跟踪控制器的有效性。 其次，对于叉柱式回收的对接阶段，欠驱动UUV运动在近壁面环境下，根据近壁.面环境下UUV的受力情况，将对接阶段分为垂直面坐落和水平面捕获。由于UUV在垂直面受力的改变，对UUV垂直面运动模型进行修正，给出了UUV垂直面修正模型，通过将修正模型转化为预测模型，利用模型预测控制算法设计了垂直面路径跟踪控制器；利用Matlab对控制器进行仿真分析，验证了控制器的跟踪效果。 最后，考虑叉柱式回收对接阶段的近壁面环境，欠驱动UUV在水平面运动时受到海流的干扰。针对海流干扰，建立了基于海流干扰的水平面运动模型；为了简化控制器的设计，通过引入Serret?Frenet标架，将水平面运动模型转换为误差模型；又利用重定义输出，将单输入多输出系统转变为单输入单输出系统，根据预测模型，利用模型预测控制算法设计了水平面路径跟踪控制器；分别证明了两个子系统的稳定性，根据等价性原理得到闭环系统的稳定性；设计了仿真实验证明了控制器的有.效性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 课题国内外研究现状

1.3 论文主要研究内容和组织结构

第2章 UUV运动模型与模型预测控制

2.1 引言

2.2 UUV叉柱式回收方式

2.3 UUV运动模型

2.4 模型预测控制理论

2.5 本章小结

第3章 欠驱动UUV叉柱式回收过程中返航阶段控制

3.1 引言

3.2 欠驱动UUV三维预测模型

3.3 基于模型预测控制的欠驱动UUV三维控制器设计

3.4 三维控制器稳定性分析

3.5 仿真结果与分析

3.6 本章小结

第4章 近壁面对接过程中欠驱动UUV变深控制

4.1 引言

4.2 近壁面环境下UUV垂直面模型的建立

4.3 基于模型预测控制的欠驱动UUV变深控制器设计

4.4 仿真结果与分析

4.5 本章小结

第5章 基于Serret-Frenet标架的欠驱动UUV对接控制

5.1 引言

5.2 欠驱动UUV水平面误差模型的建立

5.3 欠驱动UUV水平面对接控制器设计

5.4 水平面对接控制器稳定性分析

5.5 仿真结果与分析

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢