基于扁平UUV动力学模型的导航定位与路径跟随控制方法研究

摘要

随着人类对资源的需求日趋增长，近年来世界各国加快加强了对海洋资源的开发、利用和争夺。其中，作为资源勘探，环境监测和海域侦查的特种设备，多功能无人水下航行器(UUV)是一种体积小、可控制性好、长续航能力和强搭载能力的移动载体，可满足军事领域，科学领域和经济领域的不同需求。然而，UUV本身是高技术的集成体，加上工作环境具有复杂性和未知性，这对其安全航行和顺利执行使命任务提出很高要求。因此，为了使得UUV的使用可行、可信，将相关理论结合载体的动力学特性和控制要求，研究载体的动力学模型，及载体导航定位、空间制导与运动控制方法，对于提高UUV的技术保障和加快工程化应用进程有重要的意义。
　　 航位推算方法是目前最常用的导航定位方法之一，而UUV在执行使命任务过程中若多普勒计程仪(DVL)测量数据失效则会引起航位推算错误，此时载体由于位置未知将无法实现UUV的路径跟随控制。本文首先在不增加传感器的前提下，基于扁平UUV动力学模型对航位推算进行研究，接着当载体位置可知时，利用动力学模型辨识得到的三个子系统对空间路径跟随控制方法进行了深入的研究。
　　 1、建立扁平UUV的空间六自由度动力学模型，确定了路径跟随运动过程中主要的扰动量。
　　 针对扁平UUV的动态运动模型建模问题展开研究，根据牛顿-欧拉方程表示的UUV动力学模型，结合其几何外形和执行机构等附体的分布情况，对其运动特性进行了分析，建立了该扁平UUV的空间六自由度动力学模型；针对其路径跟随运动过程中所受各种干扰，分析并找出了主要的扰动量，包括非结构化不确定性干扰，水流干扰，模型不确定性干扰，海浪干扰及载体自身水动力引起的扰动。
　　 2、提出基于TLS误差准则的参数辨识方法，实现了UUV纵向、水平面和垂直面机动中占主导作用的水动力项的参数辨识。
　　 针对数据矩阵与观测向量均存在误差时引起的参数估计值失准的问题，立足UUV动力学模型水动力参数辨识的三要素，对其参数估计进行深入的探讨，提出了基于TLS的误差准则进行参数辨识。针对牛顿-欧拉方程表示的UUV动力学模型过于复杂不适合参数辨识、定位推算和运动控制应用的问题，结合使命任务对路径跟随系统稳定性和准确性的要求，根据UUV的运动学和动力学特性，得到UUV在纵向运动、水平面机动和垂直面机动中占主导作用的水动力项，分别建立了适合作为数据拟合的机动模型，并对辨识结果进行仿真验证，为动力学模型辅助定位和路径跟随控制打下技术基础。
　　 3、提出基于动力学模型辅助的航位推算方法，并经湖试试验数据后处理仿真验证其正确、有效。
　　 针对DVL测量数据失效或者暂时发生故障从而导致航位推算得到的位置不能用于定位与控制的问题，基于UUV动力学模型，提出了利用动力学模型辅助的航位推算进行定位的定位方法。同时，针对输入动力学模型辅助的航位推算模块的速度和姿态存在参数偏移的问题，采用海流估计的速度补偿技术。通过扁平UUV湖试试验数据进行数据后处理，基于辨识得到的UUV动力学模型，对动力学模型辅助的航位推算算法进行仿真验证，解决了DVL测量数据失效引起航位推算错误的问题，且定位精度满足任务需求。
　　 4、提出空间分离、平面制导的设计指导思想，基于Lyapunov稳定性理论为辨识得到的三个子系统分别设计控制器，仿真实现了水下导管架勘测任务过程中的空间路径跟随。
　　 首先，针对速度控制系统的纵向速度在扰动下达到设定航速的控制品质较差，采用带参数校正的自适应神经网络速度控制器来实现航速控制。其次，针对深度控制系统的相关状态受扰动影响而发散或者不稳定，利用RBF神经网络估计时变水动力阻尼引起的UUV模型不确定项和外界干扰，并设计了自适应律来实现神经网络权值的最优估计，同时利用具有迭代思想的反步法提出设计虚拟控制输入保证地形跟踪误差渐近趋于零。再次，针对欠驱动UUV水平面运动控制器设计方法受限的问题，提出将其在水平面的机动问题分解为关于空间位置关系的几何学问题和关于载体纵向运动航速的动力学问题。在载体纵向运动航速可控的情况下，针对几何学问题，提出了直线段路径和圆路径的LOS航向制导律，并设计了自适应神经网络航向控制器。最后，针对导管架平台检测的工程案例，设计空间螺旋路径跟随试验进行数值仿真，仿真结果表明在空间分离、平面制导思想下设计的空间路径跟随控制器能够快速地以零稳态误差实现扁平UUV空间曲线的精确路径跟随，且该控制器对干扰有很强鲁棒性。同时，针对DVL测量失效进行了路径跟随控制仿真，仿真结果表明动力学模型辅助的航位推算在路径跟随控制中起到了辅助定位的作用，且控制效果良好。
　　 本文深入开展了扁平UUV的动力学模型辨识、基于动力学模型的辅助定位以及空间路径跟随控制方法研究，论文研究理论成果对于UUV安全、可靠的完成水下使命任务，具有重要的工程实用价值。