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UUV水下自主回收路径规划与运动控制研究
| 论文题名： | UUV水下自主回收路径规划与运动控制研究 |
| 关键词： | 水下无人航行器;路径规划;粒子群优化;模型预测控制;滑模反步法 |
| 摘要： | 水下无人航行器（UnmannedUnderwaterVehicle，UUV）凭借其体积小、能源独立、作业风险低、自主性和可控性好、隐蔽性和经济性强等优势，近年来已成为各国进行海洋研究的热点。UUV完成水下作业之后，需要返回到回收平台进行能源补充、数据回放以及下载新的任务等，所以UUV的回收技术是其完成各种复杂任务不可或缺的重要技术保障。相比于传统的水面舰船回收，动基座的水下自主回收具有更好的安全性和现实意义。本文以UUV的动基座水下自主回收为研究背景，针对远距离抵达集合点的路径规划和近距离跟踪母艇的运动控制问题展开了如下研究： （1）针对远距离自主回收任务中UUV剩余能源有限情况下的快速回收问题，提出一种基于能耗和时间最优的三维路径规划方法。首先，基于UUV的运动学建立回收过程中的能量消耗模型和航行时间模型；其次，引入权重因子，采用加权系数法构建绿色度最大的联合优化目标函数，结合B-spline曲线生成连续光滑的路径；最后，利用改进的粒子群优化（ParticleSwarmOptimization，PSO）算法得到满足优化目标的三维路径。仿真结果表明，该方法可以有效实现UUV能耗和回收时间的平衡，同时能够根据回收集合点规划出一条避开水下碍航区域的三维路径。 （2）针对UUV对运动母艇的跟踪控制问题，采用一种基于准无限时域的模型预测控制（ModelPredictiveControl，MPC）方法。首先，建立UUV的水平面运动学模型和动力学模型，为方便控制器的设计，分别采用雅克比矩阵和欧拉法对模型进行近似线性化和离散化处理。其次，基于准无限时域MPC（Quasi-infiniteHorizonMPC）设计终端惩罚函数，得到最小化性能指标的MPC跟踪控制器，并添加控制约束条件，将最小化目标函数的优化问题转换为二次规划问题的求解。最后，为实现复杂海域情况下的跟踪控制，考虑母艇的参考轨迹不一定满足安全航行的要求，设计重规划策略规避碍航物。仿真案例验证了所设计方法的有效性。 （3）针对UUV在垂直面上跟踪母艇的深度控制问题，采用一种基于幂函数控制指令的终端滑模反步法设计深度控制器。首先，建立UUV的垂直面运动模型和深度跟踪误差模型，采用符合航行深度指令变化规律的幂函数作为原型函数推导深度控制的输入指令。然后，采用反步法将控制目标转化为对纵倾角速度误差的镇定问题，引入非奇异终端滑模面设计控制律。最后，利用Lyapunov稳定性理论，分析闭环控制系统的稳定性。借助Matlab仿真平台验证了所设计控制器的有效性。 |
| 作者： | 董校成 |
| 专业： | 控制科学与工程 |
| 导师： | 郭晨;于浩淼 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连海事大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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