基于辨識(shí)模型的UUV回收控制方法研究.pdf

1、人們對(duì)海洋的探索從未止步，對(duì)海洋的研究也在不斷的深入，這使得水下無人航行器(UUV)的使用領(lǐng)域也越來越廣，從海底資源勘測(cè)到水下搜救都有他們的身影。馬航的MH370的墜落失蹤以及“藍(lán)鰭金槍魚-21”UUV對(duì)其開展的長(zhǎng)期搜救工作，使得UUV正式出現(xiàn)在大眾的視野。近些年UUV在國(guó)防和民用領(lǐng)域的作用越發(fā)廣泛，得到了各國(guó)政府和科研機(jī)構(gòu)的高度重視。在UUV完成作業(yè)后，通常需要對(duì)其進(jìn)行能源的補(bǔ)給、數(shù)據(jù)的下載、常規(guī)檢修等工作，回收過程中流體的擾動(dòng)是不可

2、避免的，因而如何在多擾動(dòng)的海洋環(huán)境下進(jìn)行回收控制成為研究熱點(diǎn)。本文根據(jù)實(shí)船航行數(shù)據(jù)建立實(shí)船運(yùn)動(dòng)模型，對(duì)此運(yùn)動(dòng)模型在存在不確定環(huán)境干擾和有無海流的情況下，以反步法結(jié)合自適應(yīng)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在UUV回收控制過程開展相關(guān)研究工作，課題主要在以下幾個(gè)方面做了研究:
　　首先，根據(jù)大地固定坐標(biāo)系及艇體的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系，分析UUV空間運(yùn)動(dòng)特性及受力情況，包括靜力、水動(dòng)力、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及外界海流干擾。根據(jù)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系到固定坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系建立UUV通用運(yùn)動(dòng)學(xué)

3、方程及通用動(dòng)力學(xué)方程。同時(shí)根據(jù)操縱實(shí)驗(yàn)指標(biāo)及水動(dòng)力參數(shù)敏感性指數(shù)大小對(duì)水動(dòng)力參數(shù)進(jìn)行分類，然后根據(jù)敏感性的強(qiáng)弱對(duì)UUV運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，獲得的簡(jiǎn)化模型作為待辨識(shí)模型。
　　其次，根據(jù)UUV動(dòng)力學(xué)方程設(shè)計(jì)組合辨識(shí)方法，首先使用方差補(bǔ)償擴(kuò)展卡爾曼進(jìn)行初步辨識(shí)，再把初步的辨識(shí)結(jié)果作為限定記憶的最小二乘法辨識(shí)的初值，進(jìn)行二次辨識(shí)。在辨識(shí)實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)平面運(yùn)動(dòng)和垂直面運(yùn)動(dòng)，為了突出部分水動(dòng)力參數(shù)辨識(shí)結(jié)果，平面運(yùn)動(dòng)分固定舵角機(jī)動(dòng)和變舵角Z形機(jī)動(dòng)，

4、垂直面做固定舵角和變舵角超越機(jī)動(dòng)。最后在驗(yàn)證組合辨識(shí)方法的可靠性時(shí)根據(jù)已有參數(shù)模型仿真出觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過組合辨識(shí)出水動(dòng)力參數(shù)后建立UUV運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。在推力和舵角與仿真情況相同的情況下進(jìn)行原模型與辨識(shí)出的模型軌跡仿真，并通過軌跡對(duì)比說明組合辨識(shí)方法是有效的。
　　再次，對(duì)UUV實(shí)航數(shù)據(jù)進(jìn)行組合辨識(shí)時(shí)先根據(jù)UUV尺寸數(shù)據(jù)由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出附加質(zhì)量和質(zhì)量慣性矩系數(shù)，然后使用組合辨識(shí)方法對(duì)UUV實(shí)航數(shù)據(jù)進(jìn)行辨識(shí)獲得水動(dòng)力參數(shù)，結(jié)合簡(jiǎn)化模型建立

5、實(shí)航UUV的動(dòng)力學(xué)方程。通過對(duì)比平面實(shí)航運(yùn)動(dòng)軌跡半徑和辨識(shí)出運(yùn)動(dòng)方程的仿真軌跡半徑，以及垂直面下潛深度和辨識(shí)出運(yùn)動(dòng)方程仿真深度的驗(yàn)證了辨識(shí)運(yùn)動(dòng)模型的準(zhǔn)確性。
　　最后，針對(duì)UUV回收控制存在辨識(shí)模型不精確及存在不確定擾動(dòng)問題，引入自適應(yīng)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)其進(jìn)行估測(cè)，并結(jié)合反步法設(shè)計(jì)UUV的位置、姿態(tài)及速度控制器，用虛擬速度來代替姿態(tài)誤差，將姿態(tài)跟蹤控制轉(zhuǎn)化為對(duì)速度、轉(zhuǎn)矩的控制，最后運(yùn)用李雅普諾夫穩(wěn)定理論證明了該控制器的穩(wěn)定性?？紤]到