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水下回收过程中UUV轨迹规划与跟踪控制方法研究
| 论文题名： | 水下回收过程中UUV轨迹规划与跟踪控制方法研究 |
| 关键词： | 水下无人航行器;水下回收过程;轨迹规划;跟踪控制 |
| 摘要： | 作为一种可重复使用的海洋运载器，水下无人航行器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）执行完使命任务后是必须要进行回收的。虽然，目前国内外提出了多种UUV回收的方式，但是实现对UUV的水下自主回收是每一个UUV工作者的目标。另外，UUV具备水下自主回收能力也是其智能水平和自主程度的体现。本文以运动母船水下自主回收UUV为研究背景开展相关研究工作，重点研究了回收中的空间轨迹规划、空间轨迹跟踪控制和对运动母船的跟踪方法。通过研究，旨在为实现UUV的水下自主回收提供一定的理论参考和技术基础。 通过分析，将运动母船水下自主回收 UUV的过程分为三个典型的阶段：集合阶段（Rendezvous）、回坞阶段（Homing）和对接阶段（Docking）。论文的研究内容针对的是前两个阶段，通过空间轨迹规划和轨迹跟踪控制实现UUV到达回收集合点；通过对运动母船的跟踪实现UUV回到对接机构附近，为接下来的对接阶段创造条件。 空间轨迹规划解决的是UUV在约束条件下以什么样的轨迹航行到集合点的问题，约束条件包括到达集合点的时间、姿态约束和UUV的运动学约束，并且所处的环境空间是三维未知障碍空间。本文采用多项式来参数化空间轨迹，并通过搜索设置的多项式的可调系数来获得一条无碰、最优和满足以上约束的轨迹。问题的求解过程具备在线执行的特点，使UUV具备探测到碍航物后的在线重规划能力。通过对典型环境案例的仿真，验证了方法的可行性。 接下来，针对规划出的用参数化描述的空间轨迹，开展了UUV的空间轨迹跟踪控制问题研究，以使UUV沿轨迹航行到集合点。在跟踪过程中，UUV必须同时跟踪空间轨迹的位置状态和速度状态才能实现到达集合点的时间和姿态约束。为此，建立了UUV跟踪过程中的部分线性化运动学误差和动力学误差模型。针对所建立的欠驱动的误差系统，利用反步法和李亚普诺夫函数设计了空间轨迹跟踪控制器。通过对规划出的空间轨迹的跟踪仿真，验证了控制器的有效性。 最后，开展了回坞阶段 UUV对运动母船的跟踪问题研究，以实现 UUV跟踪运动母船，同时为了避免与母船的碰撞，还要规避随母船运动的艇体禁航区。对UUV跟踪运动母船的问题进行了建模，通过对传统势场法的规划方法进行扩展，将 UUV、母船和禁航区的位置信息作为规划要素外，加入了三者的速度信息，以达到UUV跟踪运动母船的同时规避运动的禁航区的目的，实现了禁航区不起作用、禁航区起作用和多和禁航区起作用时的UUV的运动规划。 |
| 作者： | 徐达 |
| 专业： | 控制理论与控制工程 |
| 导师： | 张伟 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2014 |
| 正文语种： | 中文 |
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