【摘要】：利用水下無(wú)人航行器(UUV)探索水下未知環(huán)境是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究的一大熱點(diǎn)和難點(diǎn),水下環(huán)境十分復(fù)雜,實(shí)現(xiàn)水下環(huán)境探測(cè)需要克服更多的困難,因此對(duì)UUV探索水下未知環(huán)境問(wèn)題的研究具有十分重要的意義。本文對(duì)UUV的同步探測(cè)與巡岸控制(Simultaneous Detection and Patrolling,SDAP)問(wèn)題進(jìn)行了研究,在UUV安裝水下激光測(cè)距儀作為采集信息的傳感器。對(duì)涉及的數(shù)據(jù)預(yù)處理、地圖輪廓構(gòu)建、路徑點(diǎn)提取、路徑跟蹤等問(wèn)題進(jìn)行探索,主要研究的內(nèi)容為:首先,在固定坐標(biāo)系和運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系的參考下,分別建立了UUV的六自由度運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型,然后針對(duì)本文SDAP水平面UUV路徑跟蹤控制的要求,將其簡(jiǎn)化為三自由度UUV模型,并進(jìn)行了模型操縱性的仿真驗(yàn)證,為后續(xù)的UUV積分滑�？刂破鞯脑O(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。然后,針對(duì)激光測(cè)距儀所獲取數(shù)據(jù)的特點(diǎn),根據(jù)小波聚類的思想,提出一種基于小波聚類的UUV巡岸地圖輪廓構(gòu)建方法,該方法分為三步:第一步是局部小波聚類,通過(guò)對(duì)當(dāng)前視域內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行聚類,得出孤立點(diǎn)備選集和各個(gè)類的集合;第二步進(jìn)行全局聚類決策,對(duì)備選集和各個(gè)類集進(jìn)行分析決策,給出具體的孤立點(diǎn)集合和輪廓點(diǎn)集合,有效防止誤判;第三步利用Alpha-Shapes方法對(duì)輪廓點(diǎn)中不同的類分別構(gòu)建輪廓。其次,根據(jù)數(shù)據(jù)輪廓為帶狀有序的特點(diǎn),設(shè)計(jì)一種根據(jù)數(shù)據(jù)輪廓獲取理想路徑的方法,首先根據(jù)參考距離l提取類簇骨架,判斷UUV與所提取骨架的相對(duì)位置,留出安全距離后求出路徑點(diǎn),依次連接路徑點(diǎn)并使用三次樣條曲線進(jìn)行平滑處理,最終得到了UUV需要跟蹤的期望路徑,巡岸問(wèn)題轉(zhuǎn)化為路徑跟蹤問(wèn)題。再次,針對(duì)欠驅(qū)動(dòng)UUV水平面路徑跟蹤系統(tǒng),根據(jù)UUV誤差方程,將虛擬向?qū)俣茸鳛檩斎胙a(bǔ)齊輸入個(gè)數(shù)形成全驅(qū)動(dòng)UUV,并將控制分解為縱向速度跟蹤子系統(tǒng)、位置跟蹤子系統(tǒng)和艏向角跟蹤子系統(tǒng),分別設(shè)計(jì)三個(gè)系統(tǒng)的控制律。根據(jù)積分滑模和李雅普諾夫直接法的思想,設(shè)計(jì)了一種基于積分滑模的水平面路徑跟蹤控制器,控制器考慮了海流的影響,可以有效跟蹤直線或曲線的路徑,利用李雅普諾夫穩(wěn)定性定理證明了控制器的穩(wěn)定性,對(duì)其進(jìn)行仿真證明了控制器的有效性。最后,在以上的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了仿真實(shí)驗(yàn),分別在開敞式港池港口和封閉式港池港口環(huán)境下進(jìn)行仿真驗(yàn)證,建立了環(huán)境模型,設(shè)計(jì)算法評(píng)價(jià)方法,在MATLAB平臺(tái)中對(duì)算法進(jìn)行了驗(yàn)證,證明基于激光測(cè)距的UUV地圖輪廓構(gòu)建與同步巡岸控制方法的可行性。
【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】：2018
【分類號(hào)】：U674.941;TN249
【圖文】：

洋底的多金屬資源探測(cè)的實(shí)用時(shí)段。圖 1.1 CR-01型UUV 圖 1.2 CR-02型UUV上海交通大學(xué)用了九年研發(fā)出的“海龍?zhí)枴盪UV，如圖1.3所示。該UUV長(zhǎng)度為3.17 m ，寬度為1.81m ，高度為 2.24 m ，質(zhì)量為 3450kg 。2009 年在科考探測(cè)任務(wù)中，“海

我國(guó)研發(fā)成功了一種新型的滑翔式的 UUV[7]，如圖1.4所示。該UUV成功的構(gòu)建了一個(gè)便捷的水下無(wú)人探測(cè)平臺(tái)。不僅利用了水下無(wú)人航行器技術(shù)和漂流檢測(cè)技術(shù)，還能夠從水的浮力以及艇身位姿的改變中獲取動(dòng)力，所以它所需能源極少，續(xù)航十分強(qiáng)大，因此其工作區(qū)域直徑達(dá)幾百千米，充滿電的情況下一次可以連續(xù)航行幾個(gè)月。并且在其海試試驗(yàn)中，該UUV展現(xiàn)出了強(qiáng)大的抗干擾能力和續(xù)航能力。1.2.1.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀自1999年，美國(guó)便注意到了UUV的發(fā)展?jié)摿�，并發(fā)布了有關(guān)UUV的發(fā)展規(guī)劃《無(wú)人潛航器主計(jì)劃》[8]。2002年，美國(guó)強(qiáng)調(diào)了發(fā)展UUV的重要性，并準(zhǔn)備發(fā)展UUV與其他作戰(zhàn)單位之間的通用性及聯(lián)合作戰(zhàn)能力。在2004年 5 月

圖1.5 IVER2型UUV 圖1.6 REMUS600型UUVIVER 2 是一種便攜 UUV ，其直徑為14.7 cm ，質(zhì)量為19.2 kg ，功率為 0.6 k W/可下潛深度最大為100m，使用了Li-Lon 作為電源，可持續(xù)24小時(shí)以2.5節(jié)航行。IVE上安裝了深度測(cè)量傳感器、壓力傳感器、聲吶、數(shù)字羅盤等，還能自由選擇安裝4、10 波束 DVL 和衛(wèi)星 Modeam 等傳感器。 IVER 2 的設(shè)計(jì)使用最前沿的技術(shù)和設(shè)計(jì)方其定位是用于收集沿岸數(shù)據(jù)，且體積小，重量輕，發(fā)送回收等任務(wù)都可以由單人完IVER2 的研制經(jīng)過(guò)了很多測(cè)試試驗(yàn)，因此可靠性高、功能強(qiáng)大。REMUS600 是一種應(yīng)用于水雷偵查和滅雷工作的輕型 UUV ，如圖 1.6 所示，

【參考文獻(xiàn)】

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