【摘要】：水下無人航行器(Unmanned Underwater Vehicle,UUV)的動(dòng)態(tài)控位過程,即指在環(huán)境干擾下,UUV通過各個(gè)推進(jìn)器裝置,實(shí)時(shí)輸出控制推力,使自身位置保持在某目標(biāo)區(qū)域的過程。在實(shí)際工程應(yīng)用中,由于UUV的動(dòng)態(tài)控位過程存在推進(jìn)器過度頻繁動(dòng)車等問題,導(dǎo)致UUV無法完成長時(shí)間作業(yè)任務(wù),因此本文主要針對(duì)UUV的綠色動(dòng)態(tài)控位方法展開了研究。本文主要研究內(nèi)容有:首先,建立了研究對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)UUV水動(dòng)力特性及自身結(jié)構(gòu)特性,結(jié)合UUV綠色動(dòng)態(tài)控位過程中的實(shí)際需求,對(duì)上述模型進(jìn)行了適當(dāng)簡化,得到后續(xù)研究可用的簡化模型,并進(jìn)行相關(guān)仿真試驗(yàn),驗(yàn)證了模型的合理性。其次,針對(duì)UUV動(dòng)態(tài)控位過程中位置、艏向測量信息中的環(huán)境噪聲對(duì)控制產(chǎn)生干擾的問題,設(shè)計(jì)了基于無跡高斯粒子濾波的狀態(tài)估計(jì)濾波器。針對(duì)傳統(tǒng)高斯粒子濾波器自身存在的粒子退化與貧化的缺陷問題,提出了利用UKF來產(chǎn)生高斯分布并生成粒子濾波中重要性函數(shù)的方法,使重要性密度函數(shù)更接近于真實(shí)分布,從而有效地減弱了由粒子退化和貧化所引起的濾波精度下降問題。并設(shè)計(jì)了仿真案例,通過與無跡卡爾曼濾波器的對(duì)照試驗(yàn),驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)濾波器的有效性及優(yōu)越性。再次,針對(duì)UUV綠色動(dòng)態(tài)控位的需求,提出了一種基于GreenDP思想的間斷控制策略。設(shè)計(jì)了一種基于解析非線性模型預(yù)測控制的動(dòng)態(tài)控位控制器。結(jié)合前述UUV簡化模型,通過給定性能指標(biāo),運(yùn)用泰勒級(jí)數(shù)展開與李導(dǎo)數(shù)求解出了UUV在連續(xù)時(shí)間下的最優(yōu)控制率,完成了動(dòng)態(tài)控位控制器設(shè)計(jì),并對(duì)該狀態(tài)控制器的穩(wěn)定性給出了證明。最后,結(jié)合工程應(yīng)用,設(shè)計(jì)了具體案例,完成了UUV定點(diǎn)懸停與綠色動(dòng)態(tài)控位過程的仿真實(shí)驗(yàn)。仿真實(shí)驗(yàn)包括一組與傳統(tǒng)PID控制器的對(duì)照實(shí)驗(yàn),以及在定常海流干擾下,對(duì)UUV綠色動(dòng)態(tài)控位策略的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文設(shè)計(jì)的控制器較PID控制器相比具有更穩(wěn)定的控制效果,且本文提出的UUV綠色控位間斷控制策略具備可行性及有效性,即本文的設(shè)計(jì)能夠滿足UUV綠色動(dòng)態(tài)控位的基本需求。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：U674.941
【圖文】：

用途、隱蔽、靈活、智能化的優(yōu)勢。因此，對(duì)于 UUV 智能海洋技術(shù)研究的重點(diǎn)。力定位包含艏向控制、定點(diǎn)控位與航跡控制三個(gè)基本功能。向與期望的艏向存在偏差時(shí)，動(dòng)力定位系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)的改變的艏向精確控制到期望艏向，如圖 1.1 所示。定點(diǎn)控位是指偏離期望位置時(shí)，動(dòng)力定位系統(tǒng)就能自動(dòng)的控制 UUV 回到能夠精確的維持在期望位置處。定點(diǎn)控位示意圖如圖 1.2 所時(shí)，UUV 能夠保持在期望點(diǎn)處。航跡控制是指 UUV 在作跡運(yùn)動(dòng)，人為的給定航跡指令與速度指令，動(dòng)力定位系統(tǒng)就的軌跡航行，直至到達(dá)終點(diǎn)。如圖 1.3 所示，UUV 航跡控型循跡控制來監(jiān)測海洋環(huán)境，以及用于海底管道的檢修。海流

用途、隱蔽、靈活、智能化的優(yōu)勢。因此，對(duì)于 UUV 智能海洋技術(shù)研究的重點(diǎn)。力定位包含艏向控制、定點(diǎn)控位與航跡控制三個(gè)基本功能。向與期望的艏向存在偏差時(shí)，動(dòng)力定位系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)的改變的艏向精確控制到期望艏向，如圖 1.1 所示。定點(diǎn)控位是指偏離期望位置時(shí)，動(dòng)力定位系統(tǒng)就能自動(dòng)的控制 UUV 回到能夠精確的維持在期望位置處。定點(diǎn)控位示意圖如圖 1.2 所時(shí)，UUV 能夠保持在期望點(diǎn)處。航跡控制是指 UUV 在作跡運(yùn)動(dòng)，人為的給定航跡指令與速度指令，動(dòng)力定位系統(tǒng)就的軌跡航行，直至到達(dá)終點(diǎn)。如圖 1.3 所示，UUV 航跡控型循跡控制來監(jiān)測海洋環(huán)境，以及用于海底管道的檢修。海流

圖 1.3 UUV 航跡控制示意圖V 在眾多應(yīng)用中具有其他裝備無可替代的優(yōu)勢，但是受到目前大多數(shù) UUV 只能進(jìn)行短時(shí)的作業(yè)任務(wù)，作業(yè)完成后必這就會(huì)限制了 UUV 的應(yīng)用范圍。對(duì)于在一些特定的自主任間問題，在保證完成 UUV 指定任務(wù)的前提下，UUV 在執(zhí)的范圍內(nèi)，并不是懸停在固定的位置，即 UUV 的綠色動(dòng)態(tài)想源于挪威的 KongsbergSimrad 公司的一款極具代表性的產(chǎn)een-DP），傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控位控制器未設(shè)有外部約束，即相應(yīng)終處于精確的位置保持狀態(tài)，缺少彈性的松弛控位特點(diǎn)，船位置[5]。與傳統(tǒng)的固定點(diǎn)位置的動(dòng)力定位相比，綠色 DP 的燃環(huán)保。UUV 定點(diǎn)懸停控位是綠色控位的一種特殊形式，綠點(diǎn)控位，能夠降低推進(jìn)器的工作頻率，可以減少 UUV 自身噪的目的，提高了 UUV 自身的隱蔽性，增加了 UUV 的水作業(yè)目標(biāo)。因此對(duì)于 UUV 綠色動(dòng)態(tài)控位的研究具有一定的

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2 姜

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