大尺度水下无人艇定深及安全线路跟踪研究

作     者：焦林健 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐国华

授予年度：2022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：水下无人艇 定深控制 安全线跟踪 自适应控制 欠驱动 

摘      要：随着计算机和智能控制技术的发展,水下无人艇已被应用于科考、军事领域。受限于艇体空间,水下无人艇在续航、携带设备数量、可靠性方面不能满足需求。为了解决这些痛点,具有超大体积、高航速、高系统冗余度特点的欠驱动、大尺度水下无人艇应运而生,它具有自主定深定向航行、自主应急功能。本文以大尺度水下无人艇为研究对象,研制一套运动控制系统,使其具有自主定深定向航行和应急上浮安全线跟踪能力,保证水下科研试验的准确性和安全性。大尺度水下无人艇要开展特项水下科研试验,科研试验要求在水下恒定深度进行,因此水下无人艇应具有深度控制能力,能够从水面任意位置出发,跟踪一条设定深度、航向的航线。此外水下无人艇搭载了自主应急系统,具备故障诊断、应急上浮能力,水下无人艇应急上浮过程中速度高,极易与两岸礁石碰撞,因此需在应急上浮过程中对航向进行控制,跟踪安全线路。首先从整体控制系统架构角度对控制方案进行了对比论证。研究了欠驱动系统特点,建立水下无人艇数学模型,在此基础上采用了可变视线距制导和自适应模糊PID控制方法解决定深定向和安全线跟踪问题。为了适配应急上浮时速度迅速下降的场景,在可变视线距制导中引入速度因子,提高了安全线跟踪效果。为了增强大尺度水下无人艇水下生存能力,采用了多备份、冗余化软硬件设计,通过卡尔曼滤波器和多个不同位置深度计计算纵倾角,与惯导测量纵倾角互为冗余。随后完了硬件集成、软件开发和测试,软件采用了分层架构设计模式,并基于半实物仿真平台完成了全系统功能测试。最后在某野外水域顺利完成水下定深定向和安全线跟踪试验。最终的水下试验结果表明,研制的定深定向及安全线跟踪控制系统是稳定、可靠、满足实际试验使用需求的。该系统解决了工程应用中大尺度水下无人艇水下控制精度和安全性问题,为大尺度水下无人艇运动控制研究提供理论支撑,具有较大的工程实际应用价值。