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原文传递 AUV水下回收时的干扰力分析与控制研究

论文题名：	AUV水下回收时的干扰力分析与控制研究
关键词：	智能水下无人航行器;水下回收;归航控制;双体干扰;视景仿真
摘要：	智能水下无人航行器(Autonomous Underwater Vehicle，简称AUV)作为水下无人作业设备，在目前无人与智能化的热潮下受到了广泛关注。AUV的研究与应用作为一项系统性工程，其中的回收对接技术是实现AUV安全连续作业的关键技术。水下对接回收通过AUV与固定或者移动的回收装置实现类似空/天对接的过程，使AUV完成返航、接近、对接、锁紧等一系列动作，具备自主、无人等优点，具有广阔的发展前景。本文主要通过母艇搭载回收装置与AUV完成对接以达到回收AUV的目的，完成了回收方案设计、操纵性仿真、干扰力分析、欠驱动AUV轨迹跟踪、半物理仿真以及视景仿真等一系列工作。　　首先，设计了作为全文研究基础的AUV水下坐落式动态回收方案。以运动母艇背部搭载回收装置作为回收端，以AUV为控制载体，将整个回收过程分为归航、调整以及坐落三个阶段，最终使AUV在声学与光视觉系统的导引下进入回收装置并锁紧完成回收。为了分析AUV的运动特性，建立了AUV的数学模型，对静水环境中的操纵性能进行了仿真预报，包括稳定性验证、航速与加速特性、回转性能以及空间运动能力等，为后文控制系统的设计打下了基础。　　其次，针对海流干扰下AUV归航控制，首先分析了欠驱动AUV的控制特性，并在此基础之上证明了系统的可控性。然后，基于海流影响机理对运动模型进行了修正，在此基础上对AUV在海流下的响应以及操纵性能进行了研究，完成了操纵预报。回收中归航段可以转化为AUV轨迹跟踪控制问题，本文提出了将级联反步法与模型预测理论相结合，通过滚动优化过程提高控制系统的动态性能与抗干扰能力。并借助模型预测控制所特有的显式约束处理能力，对AUV的控制输出以及控制参数进行约束。最后通过仿真实验对AUV在海流干扰以及参数摄动下的轨迹跟踪能力进行了验证。　　进而，考虑到由于母艇的存在所出现的双体水动力干扰力可能对AUV回收产生影响，基于所研究的对象开展了水动力仿真实验。通过分析母艇上方的流场情况，证明了从母艇中部坐落的优越性;根据仿真数据，得到了坐落段的双体干扰情况，通过两次Aitken插值获得双体干扰附加力，进而修改AUV动力学方程得到存在母艇情况下的非无限静广水域环境，提高了仿真精度;通过优化控制策略抑制双体干扰影响，一方面通过安排过渡过程抑制垂向位置超调，另一方面通过优化推力分配策略，增强了AUV对纵倾运动的控制能力，有效地提高了坐落段中AUV对双体干扰的应对能力。　　最后，为了更直观的展示整个对接过程，设计了三维视景仿真系统，包括模型的设计、场景的构建与渲染等。然后基于所建立的半物理仿真平台，通过在MFC框架下对Vega程序进行二次开发，实现了仿真场景的驱动。最后对AUV水下回收的过程进行了三维场景展示。
作者：	孙叶义
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	李晔
授予学位：	硕士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2019