载荷布放强扰下UUV自适应控制方法研究

摘要

随着UUV在科研以及国防领域运用的更加广泛，对于研究能够携带并布放带有某种功能载荷的新型UUV势在必行。载荷布放是一个相当复杂的过程，其中涉及载荷在布放管中对UUV的反作用力，因平衡载荷负浮力而设置的补水舱的进水对UUV产生的影响，海流对UUV产生的干扰等，如何使UUV在受到各种干扰的情况下保持自身位置以及姿态是保证载荷布放成功的关键。本文针对载荷布放强扰下UUV稳定控制进行了以下研究工作：
　　首先建立了UUV六自由度运动学和动力学模型，并对各种载荷布放方法进行了讨论最终确定了采用自航式栅状管布放方法。对载荷布放过程进行了内弹道仿真计算与分析，得出了载荷在管内的运动时间——速度以及运动时间——行程的关系曲线。为补偿载荷的负浮力设计了补水舱，并详细分析了进水过程，得到了进水方程。
　　其次对UUV的姿态保持能力做了理论论证。给出了UUV一般的推进器配置方案，通过分析UUV完成载荷布放的具体工程背景，得出了其主要受到的扰动为海流干扰和载荷布放干扰，并分别针对海流以及载荷布放干扰进行了姿态保持能力分析：针对海流的干扰，得到了海流流向角与UUV在该流向角下所能抵抗的最大海流速度关系曲线。针对载荷布放扰动对 UUV的影响，将载荷布放造成的最大扰动力、扰动力矩和UUV推进系统所能供给的最大推进力、推进力矩比较，得出了UUV具有布放载荷的姿态保持能力。
　　然后设计了载荷布放作业任务下能够实现 UUV位姿保持的自适应模糊滑模控制器。针对UUV载荷布放任务中会同时受到海流干扰和载荷布放干扰的特点，构造了能使UUV的位置以及姿态保持不变的滑模控制器，并对于滑模的抖振问题以及载荷布放扰动估算的不精确性、以及外界的不确定扰动等问题，引入了自适应模糊方法，通过模糊方法的柔滑作用以及自适应方法的在线调整功能使滑模控制器满足载荷布放的要求。
　　最后对所设计的控制器进行了仿真验证。文章设计了两个仿真案例：海流干扰下UUV抵近布放点的仿真案例，载荷布放干扰下UUV位姿保持的仿真案例。通过对两个仿真案例的分析得出自适应模糊滑模控制器能够在海流干扰以及载荷布放干扰下使UUV能够按照一定轨迹运动或者在某一位置保持姿态不变，对于干扰中的不确定部分具有很好的自适应性，并且很好地降低了系统的抖振。

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第1章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2国内外研究动态

1.3主要研究内容及需要解决的问题

1.4 论文组织结构

第2章 UUV载荷分离过程描述以及相关模型建立

2.1引言

2.2 UUV运动学和动力学建模

2.3 作用于UUV的水动力以及水动力矩

2.4 UUV载荷布放方法分析

2.5 本章小结

第3章 载荷布放扰动下UUV位姿保持能力分析

3.1 引言

3.2 UUV推进系统的配置情况

3.3 UUV载荷布放过程中姿态保持能力分析

3.4 本章小结

第4章 自适应模糊滑模控制器设计

4.1 引言

4.2 自适应模糊控制原理

4.3 滑模变结构控制的基本概念

4.4 变结构控制设计的基本要求与设计流程

4.5 滑模抖振的消弱途径

4.6 UUV载荷布放扰动下滑模变结构控制器

4.7 自适应模糊滑模控制器设计

4.8 本章小结

第5章 载荷布放扰动下UUV自适应控制仿真

5.1 引言

5.2 UUV抵达载荷布放区域与载荷布放过程

5.3 UUV抵近布放点仿真试验

5.4 载荷布放扰动下UUV稳定性仿真试验

5.5 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