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原文传递 UUV坐底策略与位姿控制技术研究

论文题名：	UUV坐底策略与位姿控制技术研究
关键词：	水下无人航行器;位姿控制;滑模控制;着陆坐底
摘要：	水下无人航行器（Unmannd Underwater Vehicle，UUV）在海洋科学调查、水下目标勘察、搜救打捞等方面已经成为了一种强有力的工具，并且随着人们对海洋开发力度的加大，而显现出了广阔的应用前景。然而受到能源的限制，目前的UUV都不能进行长时间的工作。针对海洋环境监测和水下潜伏等任务，为了在有限的能源下延长工作时间，本文对UUV的坐底策略和控制方法进行了研究。分析研究了UUV坐底所需要的功能和环境约束，结合在实际坐底过程会遇到的问题，设计了一种UUV坐底控制策略，并针对坐底过程中的几个关键问题进行了详细的研究。主要包括以下几个方面: 　　首先，分析了UUV着陆坐底的约束条件，设计了UUV分阶段的坐底策略与控制流程。通过从能源、导航和环境扰动方面考虑得到了UUV坐底所需要具备的功能;从坐底的安全性和稳定性方面考虑，得出了坐底的约束条件。对应坐底式UUV的功能需求给出了系统的组成结构，结合坐底任务的特点设计了分阶段实现的坐底策略和坐底控制流程。　　其次，设计了基于海底地形高程平差模型的UUV坐底点选择方法。针对坐底位置的选取问题，设计了基于多波束声呐的海底地形构建方法。UUV通过按照梳状航迹在预定坐底区域航行同时利用多波束声呐对地形起伏进行探测，经过对探测数据的处理后构建出所经过区域的地形高程平差模型，然后通过衡量局部区域内的高度起伏情况来选取一块较为平坦的区域，将其中心作为UUV坐底位置。　　再次，建立UUV着陆坐底过程的动力学模型、推力分配及浮力调节策略。针对海流作用下的平面位置保持问题，根据坐标系的转化关系给出了UUV的运动学模型，参考潜艇的动力学模型，结合坐底式UUV的特点，建立了UUV着陆坐底过程的动力学模型并加入了海流的扰动项。根据推进器分布情况和浮力调节装置的配置情况设计了推力分配关系和浮力调节方法。　　然后，设计了UUV着底过程动态控位的滑模鲁棒控制器。为了解决海流的作用下UUV在预定位置上着底的问题，分析了滑模鲁棒控制对UUV着底时的位姿控制的适用性后，根据李雅普诺夫稳定性原理分别设计了基于滑模鲁棒控制的艏向控制器和位置保持控制器。针对大深度下潜后重浮力分布不均衡问题，结合垂直推进器控制的快速性和浮力调节控制的持续性，设计了一种垂直推进器与浮力调节装置联合控制的静态力扰动下UUV纵倾控制方法。并且通过数值仿真实验的方式对所设计的控制器的稳定性和有效性进行了验证和分析。　　最后，开展了UUV着陆坐底过程的仿真实验，验证了UUV坐底策略与控制方法的正确有效性。将UUV坐底任务过程中控制下潜、地形探测、位置保持、变浮力坐底过程结合起来设计了负浮力推进下潜、地形探测和坐底位置选取以及动态控位变浮力坐底过程的仿真案例，结果表明设计的控制策略和控制方法可以有效的控制UUV完成着陆坐底任务。
作者：	田国强
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：	2018
正文语种：	中文