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近水面回收作业UUV位姿自适应控制方法研究
| 论文题名： | 近水面回收作业UUV位姿自适应控制方法研究 |
| 关键词： | 无人水下航行器;轨迹跟踪;自适应控制;环境干扰;粒子群算法 |
| 摘要： | 无人水下航行器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）是一种有效勘测海洋未知领域的新型装备。UUV在海上作业完成任务之后，通常需要回收至其工作母船，但由于海况具有不可预测性，UUV可能无法在工作区域正常回收至工作母船，而令UUV伴随母船自主航行一段时间，到达海况允许区域再进行回收工作是解决此问题的方法之一。欠驱动 UUV的运动控制是完成其自主回收的重要技术保障，针对欠驱动 UUV回收过程中的运动控制研究具有重要的理论价值和工程应用价值。 本课题以欠驱动UUV近水面回收为背景，开展了混合粒子群算法轨迹规划后基于PID和滑模自适应控制方法研究。本文的主要工作如下： 首先，针对UUV近水面回收的实际作业环境和任务要求，通过分析回收方法，将运动母船水面自主回收 UUV的过程分为两个典型的阶段：集合阶段（Rendezvous）和跟随阶段（Homing）。针对UUV自身的运动状态和实际作业海况要求，建立UUV六自由度空间运动学及动力学模型和UUV在海洋中受到的海风、海浪和海流等环境干扰力模型；为解决对UUV回收的精准控制，本文分析UUV所受的附加质量、水动力（矩）和恢复力（矩）及其推力模型及推力分配，并研究近水面环境下UUV动力学模型的特性。 其次，针对粒子群算法基本原理容易导致后期进化速度变慢并易陷入局部极值点的缺陷，将模拟退火思想应用到粒子群算法中，提高粒子跳出局部极值的能力并在降温过程中加快了算法后期的进化速度。然后根据回收时UUV末端路径导引的实际需求，采用基于模拟退火粒子群算法来实现避障、路径最优和获得最佳艏向角的轨迹。针对问题的求解过程在线执行的特点，实现UUV的在线重规划能力，以提高其自主性和智能性。 接下来，针对UUV的近水面轨迹跟踪控制问题的特点，规划模拟退火粒子群优化算法轨迹，使 UUV实现沿轨迹航行到集合点。在跟踪过程中，考虑 UUV必须同时跟踪轨迹的位置状态和速度状态的时间和姿态约束，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。为减小误差实现UUV近水面精准回收，设计近水面轨迹跟踪控制器，以保证UUV在轨迹跟踪过程中的位姿状态，完成近水面回收工作。 最后，针对UUV近水面回收实际作业中的控制要求，分析其跟踪轨迹策略，采用两种控制器模拟直线和曲线轨迹跟踪，验证本文采用方法在欠驱动UUV近水面回收任务和轨迹跟踪中的位姿自适应控制的有效性。 |
| 作者： | 刘枭夫 |
| 专业： | 交通信息工程及控制 |
| 导师： | 严浙平 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2015 |
| 正文语种： | 中文 |
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