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水下自主航行器路径规划与路径跟踪研究
| 论文题名： | 水下自主航行器路径规划与路径跟踪研究 |
| 关键词： | 水下自主航行器;路径规划;布谷鸟算法;路径跟踪;反步法 |
| 摘要： | 水下自主航行器（AutonomousUnderwaterVehicle,AUV）作为一种新型的海洋勘探和水下作业的无人水下平台，由于摆脱了传统水下航行器缆线的束缚，能够在无人操纵的情况下在深海缺氧、高压、低温的恶劣环境下高效地完成水下作业，同时也具有成本低廉、外型轻量、适用范围广等独特优势，因此AUV受到了来自世界各国的广泛关注。水下航行器的关键技术问题在于其智能化水平。水下自主航行器能在复杂多变的水下独立自主地完成航行任务，离不开路径规划和路径跟踪技术，两者在一定程度上代表着AUV智能化水平的高低。本文主要研究内容如下： (1)针对欠驱动AUV在海洋环境下的动态运动建模方法进行研究。为方便描述AUV的运动，对所用的符号及坐标系进行定义，并通过“定系”与“动系”的转换关系建立了运动模型，并且根据AUV的艇身形状和执行机构的配置情况，对AUV航行时受力进行分析，建立了AUV的空间六自由度动力学模型。 (2)多AUVs路径规划问题，首先根据AUV的航行特性和配置结构,建立了AUV在航行时的航行时间和能耗模型,进而分析了多AUVs路径规划的优化目标研究了多AUVs同时交会策略优化的问题。首先根据AUV的航行特点及配置结构，建立了AUV在航行时的航行时间及航行能耗模型，进一步分析了多AUVs路径规划的优化目标，针对标准布谷鸟算法存在着全局大范围搜索能力和局部精确搜索能力之间的矛盾，提出了基于自适应算法参数的改进布谷鸟算法，增强了算法的寻优能力，最后通过二维平面的同心圆和三维空间同心球的空间分解法，实现了多AUVs路径空间位置及会合位置的优化，使AUV能在复杂的海流下最大限度地节省时间及能耗实现同时会合的目标。 (3)对海流影响下欠驱动AUV的三维路径跟踪控制问题，首先推导了海流影响下Serret-Frenet坐标系中空间路径跟踪误差方程，基于扩张观测器的思想设计出海流观测器，实现对未知动态海流进行估计。为补偿海流对AUV运动的影响，提出了改进的制导率，通过设计一系列的运动学制导参数，一方面将路径位置误差转化为航向角的偏差，另一方面有助于AUV航行时补偿海流对运动的影响，使AUV能够始终精确地航行在期望路径上；基于反步法的思想，所设计出的运动学控制器和动力学控制器分别保证了对制导信号及运动学信号精确跟踪，最后运用李雅普诺夫直接法、输入状态稳定性以及级联稳定性理论，证明了闭环系统的渐近稳定。 |
| 作者： | 马小轩 |
| 专业： | 船舶与海洋工程 |
| 导师： | 吴浩峻 |
| 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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