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原文传递便携式UUV平台开发及运动控制研究

论文题名：	便携式UUV平台开发及运动控制研究
关键词：	无人水下航行器;路径跟踪控制;运动控制器;大地坐标系
摘要：	无人水下航行器（UnmannedUnderwaterVehicle，UUV）作为海洋开发的主力军，在海底资源勘探、地形测量、海洋环境监测、科学考察等方面发挥着重要作用。然而，复杂的动力学特性和多变的海洋环境对UUV运动控制提出了巨大挑战。因此，开展UUV运动控制研究具有重要的实践意义。本文针对UUV运动控制问题，进行了UUV基础控制、路径跟踪控制和编队路径跟踪控制三个方面的研究，并自主开发了用以实验验证的“LX-Ⅰ”便携式UUV实验平台。本文研究内容如下：　　首先，进行了UUV总体设计。确定UUV的总体设计指标、设计流程以及总体布局。在此基础上，选择UUV的结构形式，并对UUV的外形进行设计。确定耐压结构的形状、材料以及主尺度，并通过公式计算和有限元分析两种方式对耐压结构的耐压强度进行分析。分别从连接、密封以及防腐蚀三个方面对UUV进行可靠性设计。　　其次，进行了UUV控制系统设计。明确控制系统的设计要求，将控制系统分为软件控制系统和硬件控制系统两个部分进行设计。从上位机、通讯连接和地面站三个部分来进行软件控制系统的设计。对于硬件控制系统，结合便携式UUV实验平台的组成框图，对主要硬件进行选型，并进行组装调试，完成实验平台的搭建。最后，进行UUV实验平台的浮态调节以及直航、升潜和回转测试，试验结果验证了所设计控制系统的可靠性，确保所搭建的便携式UUV实验平台可以用于实验验证。　　再次，研究了UUV基础控制问题。建立大地坐标系和运动坐标系，通过坐标转换关系和牛顿-欧拉方程建立了UUV六自由度运动模型。在此基础上，结合“LX-Ⅰ”的结构特点，对模型进行了合理的简化，建立了UUV五自由度运动模型，并通过仿真和实验结果验证了所建立运动模型的正确性。使用反步法设计UUV定速、定向以及定深基础运动控制器，并进行稳定性分析，仿真及实验结果验证了所设计控制器的有效性。　　最后，研究了UUV路径跟踪控制问题，包括UUV路径跟踪控制以及UUV和无人艇（UnmannedSurfaceVehicle，USV）的编队路径跟踪控制。针对UUV路径跟踪控制问题，在Serret-Frenet坐标系内，通过“虚拟向导”跟踪方法建立了路径跟踪误差模型，增加路径参数作为控制量并引入趋近角概念，基于反步法设计路径跟踪控制器，并进行稳定性分析。仿真和实验结果验证了所设计控制器的有效性，UUV可以实现良好的路径跟踪控制效果。针对UUV/USV编队路径跟踪控制问题，建立编队路径跟踪误差模型，将编队路径跟踪控制分为两个任务：路径跟踪和编队形成。计算参考路径上期望点与当前位置之间的偏差，使用反步法设计路径跟踪子控制器，保证UUV和USV在水平面上沿着期望路径行驶；使用鲁棒自适应控制方法设计编队协调子控制器，调整跟随USV的速度以保持设定的编队队形，仿真和实验结果验证了所设计控制器的有效性，UUV和USV均能精确跟踪期望路径并保持设定的编队队形。
作者：	冯栋梁
专业：	船舶与海洋工程
导师：	梁霄
授予学位：	硕士
授予学位单位：	大连海事大学
学位年度：	2022