考虑母船位置数据丢失下UUV航迹跟踪控制方法研究

摘要

UUV在恶劣海况下进行回收是当今UUV在实际应用中的一大难点，解决这问题的一种思想是让母船引导UUV并使UUV跟踪母船的运动轨迹到海况条件较好处进行异地回收。UUV能否跟踪母船轨迹的前提条件是UUV能够准确地获得母船的航迹信息，由于海况恶劣，UUV将保持一定深度跟踪母船轨迹，此时UUV只能通过水声通信获取母船发送的航迹信息。受到水声通信的频率和容量的限制，母船将以一定频率定时向UUV发送航迹信息，当环境干扰造成水声通信失败时，UUV获得的便是存在数据丢失且采样间隔时间长的离散母船航迹信息。如何利用得到的不完整航迹信息对母船航迹进行修复并设计合理的UUV运动跟踪控制器对实现UUV跟踪母船航迹具有重大意义。本文从实际应用出发，考虑母船位置数据丢失下实现UUV跟踪母船航迹作了以下研究:
　　首先，UUV作为被控对象，为了研究和分析问题的方便，建立了便于描述UUV运动规律的惯性坐标系和运动坐标系，通过对UUV运动特性和受力的分析，建立了UUV的空间运动学与动力学模型，忽略次要影响因素对UUV模型进行了简化，仿真实验验证了简化模型的准确性。
　　其次，结合实际情况建立了UUV跟踪母船的模型，并将跟踪过程中的数据丢失情况分为两类，针对第一类数据丢失情况提出了三次样条插值对丢失的航迹信息进行插值修复，第二类数据丢失情况提出了利用IMM卡尔曼滤波实现对丢失的数据进行预测。仿真实验验证了所提出方法的可行性，从而使UUV在跟踪过程中能够获得在时间上连续等时间间隔的母船航迹信息，并为UUV规划出连续光滑的运动轨迹。
　　再次，基于Backstepping方法和Lyapunov稳定性理论，根据简化的UUV模型设计了UUV轨迹跟踪控制器。为了避免传统反步法设计的控制器存在奇异值的问题，通过设计虚拟中间控制量，将对UUV在水平面和垂直面位置跟踪误差的镇定转换成了对中间虚拟控制量的镇定。接着推导出了UUV的轨迹跟踪误差方程，设计了UUV轨迹跟踪控制器，将UUV轨迹的跟踪控制转换成对UUV的航速、纵倾和艏向的控制，并证明了该控制器的稳定性，通过UUV轨迹跟踪性能测试仿真验证了控制器的可行性。
　　最后，结合存在母船位置数据丢失情况下的修复方法以及基于反步法设计的UUV轨迹跟踪控制器，在Matlab软件中设计了母船位置数据丢失不同拍数和丢失概率不同条件下的UUV跟踪母船仿真实验，结果表明UUV跟踪效果良好，进一步验证了考虑母船位置数据丢失下，对母船位置数据修复方法及UUV轨迹跟踪控制器的有效性和可行性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景与意义

1．2 UUV运动跟踪控制研究现状

1．2．1 UUV路径跟随研究现状

1．2．2 UUV轨迹跟踪研究现状

1．3 论文主要研究内容

第2章 UUV的运动学与动力学建模

2．1 引言

2．2 坐标系与符号描述

2．3 UUV受力分析与动力学模型建立

2．3．1 UUV在合外力作用下的空间运动数学模型

2．3．2 UUV的受力分析

2．3．3 UUV六自由度动力学方程

2．4 UUV模型的简化与仿真验证

2．4．1 UUV模型的简化

2．4．2 模型仿真验证

2．5 本章小结

第3章 存在数据丢失下的母船航迹信息修复

3．1 引言

3．2 UUV跟踪母船航迹模型及数据丢失模型

3．3 三次样条插值法修复母船航迹

3．3．1 三次样条插值法理论基础

3．3．2 三次样条插值法在母船航迹修复中的应用

3．3．3 仿真结果与分析

3．4 交互多模型(IMM)Kalman滤波预测母船航迹

3．4．1 交互多模型Kalman滤波理论基础

3．4．2 测量数据发生随机丢失下的Kalman滤波模型

3．4．3 IMM kalman滤波在母船航迹预测中的应用

3．4．4 仿真结果与分析

3．5 本章小结

第4章 基于反步法的UUV跟踪母船航迹控制器设计

4．1 引言

4．2 反步法在UUV轨迹跟踪控制器设计中的应用

4．2．1 UUV轨迹跟踪控制器的设计

4．2．2 UUV控制系统误差方程推导

4．2．3 UUV控制系统稳定性分析

4．3 UUV轨迹跟踪性能测试仿真

4．3．1 水平面轨迹跟踪控制

4．3．2 三维轨迹跟踪控制

4．4 本章小结

第5章 存在数据丢失下的UUV跟踪母船航迹运动仿真

5．1 引言

5．2 存在数据丢失下的UUV跟踪母船仿真实验

5．2．1 母船数据连续丢失不同拍数对跟踪的影响

5．2．2 母船数据丢失概率不同对跟踪的影响

5．3 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

附录