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基于激光测距的UUV地图轮廓构建与同步巡岸控制方法研究
| 论文题名： | 基于激光测距的UUV地图轮廓构建与同步巡岸控制方法研究 |
| 关键词： | 水下无人航行器;路径跟踪;地图轮廓;同步探测;巡岸控制;激光测距 |
| 摘要： | 利用水下无人航行器(UUV)探索水下未知环境是当前国内外研究的一大热点和难点，水下环境十分复杂，实现水下环境探测需要克服更多的困难，因此对UUV探索水下未知环境问题的研究具有十分重要的意义。本文对UUV的同步探测与巡岸控制(Simultaneous Detection and Patrolling，SDAP)问题进行了研究，在UUV安装水下激光测距仪作为采集信息的传感器。对涉及的数据预处理、地图轮廓构建、路径点提取、路径跟踪等问题进行探索，主要研究的内容为: 首先，在固定坐标系和运动坐标系的参考下，分别建立了UUV的六自由度运动学模型和动力学模型，然后针对本文SDAP水平面UUV路径跟踪控制的要求，将其简化为三自由度UUV模型，并进行了模型操纵性的仿真验证，为后续的UUV积分滑模控制器的设计奠定了基础。 然后，针对激光测距仪所获取数据的特点，根据小波聚类的思想，提出一种基于小波聚类的UUV巡岸地图轮廓构建方法，该方法分为三步:第一步是局部小波聚类，通过对当前视域内的数据点进行聚类，得出孤立点备选集和各个类的集合;第二步进行全局聚类决策，对备选集和各个类集进行分析决策，给出具体的孤立点集合和轮廓点集合，有效防止误判;第三步利用Alpha-Shapes方法对轮廓点中不同的类分别构建轮廓。 其次，根据数据轮廓为带状有序的特点，设计一种根据数据轮廓获取理想路径的方法，首先根据参考距离l提取类簇骨架，判断UUV与所提取骨架的相对位置，留出安全距离后求出路径点，依次连接路径点并使用三次样条曲线进行平滑处理，最终得到了UUV需要跟踪的期望路径，巡岸问题转化为路径跟踪问题。 再次，针对欠驱动UUV水平面路径跟踪系统，根据UUV误差方程，将虚拟向导速度作为输入补齐输入个数形成全驱动UUV，并将控制分解为纵向速度跟踪子系统、位置跟踪子系统和艏向角跟踪子系统，分别设计三个系统的控制律。根据积分滑模和李雅普诺夫直接法的思想，设计了一种基于积分滑模的水平面路径跟踪控制器，控制器考虑了海流的影响，可以有效跟踪直线或曲线的路径，利用李雅普诺夫稳定性定理证明了控制器的稳定性，对其进行仿真证明了控制器的有效性。 最后，在以上的基础上设计了仿真实验，分别在开敞式港池港口和封闭式港池港口环境下进行仿真验证，建立了环境模型，设计算法评价方法，在MATLAB平台中对算法进行了验证，证明基于激光测距的UUV地图轮廓构建与同步巡岸控制方法的可行性。 |
| 作者： | 李航 |
| 专业： | 控制理论与控制工程 |
| 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： | 2018 |
| 正文语种： | 中文 |
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