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基于模型预测的UUV叉柱式回收控制方法研究
| 论文题名： | 基于模型预测的UUV叉柱式回收控制方法研究 |
| 关键词： | 水下无人航行器;叉柱式回收;模型预测;路径跟踪控制器 |
| 摘要： | 近年来，随着海洋的发.展愈来愈迅速，人们对海洋的探索欲愈来愈强烈，因此，用途广泛的水下无人航行器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）被广泛关注。然而，在UUV完成作业指令后，需要对UUV进行回收来完成能量补给和数据下载。UUV的回收是UUV的使用流程中很重要的一步，考虑到安全因素，UUV的自主回收变得愈加重要，回收过程的控制要求也随着变得重要。为此，本文基于一种新的UUV自主回收方式——叉柱式回收方式，设计回收过程中的控制器。针对宽广水域下的空间运动、近壁面环境下的垂直面运动和海流干扰下的水平面运动，运用模型预测控制算法分别对UUV的返航阶段和对接阶段展开研究工作，具体研究内容如下： 首先，简要阐述了欠驱动UUV叉柱式回收方式的具体过程，将回收过程分为返航阶段和对接阶段；建立了UUV空间六自.由度运动模型，并分析了模型的特性给控制器的设计带来的影响；给出了本文所用的模型预测控制算法的基本原理和特点，并介绍了反馈线性化的基本知识点，为后续控制器的设计做好铺垫。 然后，对于叉柱式回收的返航阶段，欠驱动UUV是在宽广水域进行空间运动的。对UUV的空间六自由度模型进行简化处理，基于状态空间模型给出了UUV系统的预测模型，针对系统的非线性，运用一种连续时间广义模型预测控制算法——解析模型预测控制算法对预测模型进行处理，利用李导数和反馈线性化对性能指标进行求解，求出最优控制律，作为UUV三维路径跟踪的控制器；通过Lyapunov理论证明闭环系统的稳定性；运用仿真验证所设计的三维路径跟踪控制器的有效性。 其次，对于叉柱式回收的对接阶段，欠驱动UUV运动在近壁面环境下，根据近壁.面环境下UUV的受力情况，将对接阶段分为垂直面坐落和水平面捕获。由于UUV在垂直面受力的改变，对UUV垂直面运动模型进行修正，给出了UUV垂直面修正模型，通过将修正模型转化为预测模型，利用模型预测控制算法设计了垂直面路径跟踪控制器；利用Matlab对控制器进行仿真分析，验证了控制器的跟踪效果。 最后，考虑叉柱式回收对接阶段的近壁面环境，欠驱动UUV在水平面运动时受到海流的干扰。针对海流干扰，建立了基于海流干扰的水平面运动模型；为了简化控制器的设计，通过引入Serret?Frenet标架，将水平面运动模型转换为误差模型；又利用重定义输出，将单输入多输出系统转变为单输入单输出系统，根据预测模型，利用模型预测控制算法设计了水平面路径跟踪控制器；分别证明了两个子系统的稳定性，根据等价性原理得到闭环系统的稳定性；设计了仿真实验证明了控制器的有.效性。 |
| 作者： | 郁晨曦 |
| 专业： | 控制工程 |
| 导师： | 张伟;李来春 |
| 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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