UUV驮载式布放回收过程中空间相对运动轨迹规划与控制研究

摘要

近十年来自治水下机器人(Unmanned Underwater Vehicle)技术得到了很大发展。UUV在海洋资源探索和军事方面都有重要的应用前景。水下机器人要实现完全自治,必须具有水下自主回收能力。水下自主回收技术具有重要意义,可以扩展UUV执行任务的范围,延长UUV执行任务的时间,增加UUV的隐秘性。目前UUV自主回收主要针对两种回收平台,一种是水下静止平台,另一种是水下移动平台。水下移动回收平台具有灵活部署,安全隐秘等优点。
　　本论文针对驮载式水下移动回收平台,进行UUV自主回收轨迹规划与控制的研究。首先,根据驮载式水下移动回收平台的特点,设计了回收策略和禁航区模型。在UUV回收过程中,这些禁航区都是禁止UUV进入的。这里可以当作移动的障碍物。禁航区附着在回收平台的运动坐标系上,与回收平台的移动速率一致。
　　在UUV运动控制方面,针对UUV运动学模型的非线性和海流干扰等因素,设计了具有高鲁棒性的状态反馈滑模控制器。状态反馈控制可以通过建立系统Hurwitz矩阵来降低可控状态响应的指数衰减。同时,利用Hurwitz矩阵的状态向量建立一个切换流形来消除滑模面上的抖振。另外,状态反馈控制在优化UUV运动性能指标的同时滑模控制可以处理UUV运动的非线性和海流干扰问题。总之状态反馈滑模控制不仅解决了传统滑模控制抖振的问题,还综合了两种控制方法的优点。通过仿真验证该控制器对UUV运动具有较高的控制精度。
　　论文采用了两种人工势场法,对UUV进行回收轨迹规划。第一种是动态局部势场法,是针对UUV和水下移动回收平台相对运动的特点,改进的局部势场法。这种方法,一定程度上避免了局部势场法在动态环境中容易出现局部极小值的问题。通过matlab编程进行了仿真实验,仿真结果表明了动态局部势场法简单易实现,能够为UUV规划出符合各种约束条件的回收轨迹。第二种方法是导航函数法,这种方法不存在局部极小值问题。导航函数需要配置空间的信息,虽然解决了局部最小值问题,但是比传统的局部人工势场法在数学实现上复杂的多。导航函数一旦建立,势场中就只有一个极小值点,即目标点。通过仿真验证导航函数法比动态势场法更有效,规划的轨迹更平滑。

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第1章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 UUV回收技术国内外发展状况

1.3论文主要研究内容和方法

第2章 UUV回收方案及数学模型

2.1 针对水下移动回收平台的UUV回收方案

2.2 水下移动回收平台禁航区模型

2.3 UUV数学模型

2.4 本章小结

第3章 基于状态反馈滑模的UUV运动控制

3.1 引言

3.2 滑模控制

3.3 UUV子系统模型的解耦

3.4 基于状态反馈滑模UUV运动控制器设计

3.5 仿真验证

3.6 本章小结

第4章 基于局部势场法的UUV回收轨迹规划

4.1 引言

4.2 局部势场

4.3 势场法的局限性

4.4 基于动态局部势场的UUV回收轨迹规划设计

4.5 仿真验证

4.6 本章小结

第5章 基于导航函数的UUV回收轨迹规划

5.1 引言

5.2 导航函数的建立

5.3 基于导航函数的UUV回收轨迹规划设计

5.4 仿真验证

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