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视觉驱动的UUV趋近目标作业控制方法研究
| 论文题名： | 视觉驱动的UUV趋近目标作业控制方法研究 |
| 关键词： | 无人潜航器;视觉驱动;趋近目标;位姿反馈;伺服控制器 |
| 摘要： | UUV近距离趋近作业目标是其执行水下作业任务的前提，趋近过程中UUV主要利用双目视觉系统获取位姿反馈信息。为此，本文开展了视觉驱动的UUV趋近目标作业控制方法的研究工作： 以Z型UUV为研究对象，建立了北东坐标系和船体坐标系，分别根据机器人运动学知识、动量定理和动量矩定理推导出了Z型UUV的运动学模型和动力学模型，并分析了水动力、重力、浮力和推进器推力对UUV动力学模型的影响。 构建了导引UUV趋近目标的位姿反馈信息。导引UUV趋近目标的位姿反馈信息分为相对位姿信息和次要的位姿反馈信息。其中，次要的位姿反馈信息通过惯性导航系统直接获得，相对位姿信息是UUV趋近目标的过程中主要的位姿反馈信息，通过双目视觉系统间接求解。针对相对位姿信息的求解问题，首先介绍了双目视觉系统构成、工作过程以及在UUV上的配装方案；其次介绍了摄像机小孔成像模型以及张正友表定法；然后详细介绍了相对位姿信息及其图像特征表征方法；最后，根据摄像机小孔成像模型以及相对位姿信息的图像特征表征方法推导出了相对位姿信息的求解公式。 根据导引UUV趋近目标的位姿反馈信息设计了视觉伺服控制器。首先，在理想情况下设计PD控制器，并通过仿真实验验证了PD控制器正确、有效，由此证明了导引UUV趋近目标的位姿反馈信息的正确性和有效性。然后，针对具有较大外界环境扰动的实际水下作业环境，假设扰动的上下界已知，设计了基于趋近律的鲁棒滑模控制器，并在与PD控制器相同的仿真实验场景中进行仿真。仿真结果表明在滑模控制器的控制下UUV能准确趋近到指定位置，与作业目标保持指定的相对姿态，并且动态品质良好，由此证明了所设计的滑模控制器的有效性。 为了验证相对位姿信息求解公式的正确性，搭建了UUV双目视觉模拟实验系统，设计了作业目标相对位姿信息测定实验。首先，利用张正友标定法对双目视觉模拟实验系统进行标定，标定结果证明搭建的UUV双目视觉模拟实验系统满足双目视觉系统在UUV上的配装要求。然后，在标定实验的基础上，进行了作业目标相对位姿信息测定实验。实验根据采集到的图像特征，通过相对位姿信息测定公式求得相对位姿信息的计算值，再与相对位姿信息的实际值进行对比，在误差允许范围内，验证了相对位姿信息测定公式的正确性。 |
| 作者： | 李航 |
| 专业： | 控制科学与工程 |
| 导师： | 徐健 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2017 |
| 正文语种： | 中文 |
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