面向近水面观测任务的UUV自适应动态控位方法研究

作     者：康晓峰 

作者单位：哈尔滨工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐健

授予年度：2016年

学科分类：08[工学] 0824[工学-船舶与海洋工程] 082401[工学-船舶与海洋结构物设计制造] 

主      题：UUV 海浪滤波 不平衡力干扰 反步滑模动态控位 

摘      要：UUV在近水面执行观测任务的过程中,利用观测天线在目标观测点获取观测数据。为了保证UUV观测任务的高质量,就需要UUV能够在外界环境扰动下保持在目标观测点处,并且保持一个期望的艏向角,即UUV需要有动态控位的能力。本文在UUV近水面受到的海浪的干扰、观测天线升起使UUV产生不平衡力的干扰下,展开UUV自适应动态控位方法研究。本文主要研究内容有:首先,对UUV观测作业过程模型进行描述,分析观测时受到的干扰。把UUV在近水面执行观测任务的具体流程分解成:UUV水下航行、观测准备、定点观测、机动观测、结束观测,确定要研究的任务阶段为定点观测与机动观测;建立UUV的运动学和动力学模型,以及UUV的推力分配方法;同时对UUV受到的外界环境干扰、内部不平衡力干扰进行分析,分析浮力均衡系统的具体作用;然后以一观测型UUV为研究对象,对其操纵性进行仿真验证。其次,为防止有海浪干扰的状态信息输入到控制回路当中,设计海浪滤波器。根据海浪干扰的特点,建立UUV在海浪干扰下的高低频叠加运动模型;基于非线性无源理论设计海浪滤波器,针对于滤波器模型中存在不确定性,添加位置和艏向的估计误差为滑模面函数,并且设计自适应增益减小由于滑模面函数带来的系统抖振,证明所设计的海浪滤波器稳定性。由于海浪滤波器中存在海浪遭遇频率这个不可测的参数,先利用谱估计方法估计出海浪遭遇频率。为了验证海浪滤波器的有效性,在不同海浪遭遇频率下,对UUV的海浪高频干扰进行滤波仿真。再次,针对不平衡力干扰下的UUV动态控位,提出纵倾综合调节方法以及水平面动态控位方法。设计浮力均衡系统与纵倾控制器相结合的综合调节方法,对纵倾角进行调节。然后,基于反步法设计动态控位控制器,并且在设计的控制律中增加滑模面函数,增加系统对外界扰动的鲁棒性。最后将自适应海浪滤波器与所设计的控制器综合后的系统进行稳定性分析,并且在无海浪干扰下以UUV的机动形式的动态控位为案例,验证反步滑模控制器的优良控制特性。最后,采用本文提出来的方法对UUV近水面观测过程进行仿真验证。将海浪滤波器、不平衡力综合调节方法、反步滑模动态控位控制器相结合,设计UUV在近水面执行观测任务时的控制系统的结构;对观测准备阶段纵倾姿态的调节进行仿真,并且在海浪干扰下对UUV近水面观测任务中的定点、机动形式的动态控位进行仿真,以验证带有海浪滤波器的动态控位方法对海浪干扰的适应性。