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原文传递面向回收任务的UUV向量域导引方法研究

论文题名：	面向回收任务的UUV向量域导引方法研究
关键词：	无人水下航行器;导引;路径规划;路径跟踪
摘要：	二十一世纪以来，水下无人航行器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）技术已经越发成熟，随着一些技术难题的解决，UUV快速步入应用阶段。UUV执行长时间探测工作的任务后，常常需要UUV自主的回收到一个平台，进行数据交换、充电和维护保障。UUV自主回收进程通常可分为集合、回坞和对接三个阶段。本文是针对回收进程中回坞阶段的导引方法问题，分为导引路径规划和导引路径跟踪两方面做以研究。　　首先，针对坐落式回收导引路径规划问题，提出了以UUV进入自主回收阶段的位置和艏向作为起点向量，以回收平台所处的位置和艏向作为终点向量，在满足UUV静力学和动力学约束的条件下规划出平面Dubins路径。设计了四种Dubins路径的增长式生成方法。在障碍物环境下，提出将增长式采样RRT算法与Dubins曲线结合，并加入导向性的思想，设计了基于G-D-RRT算法的连接任意起终点向量的回收路径规划方法。分析并讨论了 G-D-RRT的算法的概率完备性和渐进最优性。在模拟回收环境和数字海洋环境下仿真生成了光滑的避障回收导引路径。　　其次，结合已规划的Dubins形式路径，提出了将UUV导引到平面目标路径上的具有鲁棒性的HGVF路径跟踪算法。给出了直线路径跟踪向量域和弧线路径跟踪航向向量域的构建方法，在构造的向量域内产生各点处输入低级控制器的期望航向指令。利用Lyapunov稳定性理论证明了存在恒定海流扰动的情况下路径跟踪误差可渐近衰减。给出了两种不同向量域的切换策略，将分段跟踪与不同向量域的切换相结合完成规划的组合Dubins导引路径的跟踪。针对障碍物环境，解决了目标路径是平滑曲线路径的跟踪问题，提出了平滑曲线航向向量域的构建方法。同时针对曲线向量域路径跟踪算法对航向角变化率要求及路径跟踪误差进行了相关的讨论。仿真案例证明了所设计向量域路径跟踪算法的简单有效性。　　然后，针对拦截式回收导引路径规划问题，提出了三维环境下的已知回收起点向量和终点向量空间回收导引路径的生成方法。通过将 Dubins路径的数学表示拓展到三维空间，完成了起点向量和终点向量非共面、共面两种情况下的三维 Dubins路径规划。提出了当回收平台作直线运动和圆周运动情况下，三维最短 Dubins路径的计算方法，并讨论了存在海流干扰时对回收路径的影响。针对存在障碍物的环境，给出依据障碍物距离和方位信息构造当前向量和目标向量之间局部结构图的方法。基于滚动规划到运动目标点的思想和局部结构图，提出了利用快速随机树产生逐步逼近运动目标区域的三维LM-D-RRT路径规划方法。分析讨论了局部路径规划技术中可保证无冲突路径的条件，以及UUV可到达特定目标区域的环境特性。提出了利用贝塞尔曲线解决空间避障路径点的光滑连接问题，保证了规划路径的航向角和纵倾角的连续变化。仿真结果表明，所提出的算法成功地解决了UUV的空间导引路径规划和多障碍物避让问题。　　最后，结合Lyapunov稳定性构造用于解决UUV跟踪三维导引路径的VGVF方法。在三维空间中生成简单的全局稳定的速度向量域，并将空间中各点处的速度期望指令转换成航向角和纵倾角指令。对于空间 Dubins路径，提出了空间直线路径跟踪向量域，空间圆弧路径跟踪向量域构建方法，给出了向量域中每一点处期望速度向量表达方法。结合不同形式向量域的转换策略给出了从起点向量到终点向量的 Dubins路径组合路径跟踪方法。针对存在障碍物环境，提出了圆形路径的VGVF路径跟踪方法。通过分别考虑矢量场中的吸引算子和循环算子，利用 Lyapunov方法产生对闭合目标路径具有全局吸引力的向量域，并且生成具有可用于实践的非零期望速度。同时为了使产生的速度指令满足UUV自身的曲率和挠率约束，以空间内与当前向量垂直和平行的两个向量构造了速度向量控制器。仿真实验结果表明所设计的VGVF路径跟踪算法可较好地适用于对空间导引路径跟踪。
作者：	郝冰
专业：	控制理论与控制工程
导师：	严浙平
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文