基于扁平UUV動力學(xué)模型的導(dǎo)航定位與路徑跟隨控制方法研究.pdf

1、隨著人類對資源的需求日趨增長，近年來世界各國加快加強(qiáng)了對海洋資源的開發(fā)、利用和爭奪。其中，作為資源勘探，環(huán)境監(jiān)測和海域偵查的特種設(shè)備，多功能無人水下航行器(UUV)是一種體積小、可控制性好、長續(xù)航能力和強(qiáng)搭載能力的移動載體，可滿足軍事領(lǐng)域，科學(xué)領(lǐng)域和經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的不同需求。然而，UUV本身是高技術(shù)的集成體，加上工作環(huán)境具有復(fù)雜性和未知性，這對其安全航行和順利執(zhí)行使命任務(wù)提出很高要求。因此，為了使得UUV的使用可行、可信，將相關(guān)理論結(jié)合載體的

2、動力學(xué)特性和控制要求，研究載體的動力學(xué)模型，及載體導(dǎo)航定位、空間制導(dǎo)與運(yùn)動控制方法，對于提高UUV的技術(shù)保障和加快工程化應(yīng)用進(jìn)程有重要的意義。
　　 航位推算方法是目前最常用的導(dǎo)航定位方法之一，而UUV在執(zhí)行使命任務(wù)過程中若多普勒計(jì)程儀(DVL)測量數(shù)據(jù)失效則會引起航位推算錯誤，此時載體由于位置未知將無法實(shí)現(xiàn)UUV的路徑跟隨控制。本文首先在不增加傳感器的前提下，基于扁平UUV動力學(xué)模型對航位推算進(jìn)行研究，接著當(dāng)載體位置可知時，利

3、用動力學(xué)模型辨識得到的三個子系統(tǒng)對空間路徑跟隨控制方法進(jìn)行了深入的研究。
　　 1、建立扁平UUV的空間六自由度動力學(xué)模型，確定了路徑跟隨運(yùn)動過程中主要的擾動量。
　　 針對扁平UUV的動態(tài)運(yùn)動模型建模問題展開研究，根據(jù)牛頓-歐拉方程表示的UUV動力學(xué)模型，結(jié)合其幾何外形和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等附體的分布情況，對其運(yùn)動特性進(jìn)行了分析，建立了該扁平UUV的空間六自由度動力學(xué)模型；針對其路徑跟隨運(yùn)動過程中所受各種干擾，分析并找出了主要的

4、擾動量，包括非結(jié)構(gòu)化不確定性干擾，水流干擾，模型不確定性干擾，海浪干擾及載體自身水動力引起的擾動。
　　 2、提出基于TLS誤差準(zhǔn)則的參數(shù)辨識方法，實(shí)現(xiàn)了UUV縱向、水平面和垂直面機(jī)動中占主導(dǎo)作用的水動力項(xiàng)的參數(shù)辨識。
　　 針對數(shù)據(jù)矩陣與觀測向量均存在誤差時引起的參數(shù)估計(jì)值失準(zhǔn)的問題，立足UUV動力學(xué)模型水動力參數(shù)辨識的三要素，對其參數(shù)估計(jì)進(jìn)行深入的探討，提出了基于TLS的誤差準(zhǔn)則進(jìn)行參數(shù)辨識。針對牛頓-歐拉方程表示的

5、UUV動力學(xué)模型過于復(fù)雜不適合參數(shù)辨識、定位推算和運(yùn)動控制應(yīng)用的問題，結(jié)合使命任務(wù)對路徑跟隨系統(tǒng)穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的要求，根據(jù)UUV的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特性，得到UUV在縱向運(yùn)動、水平面機(jī)動和垂直面機(jī)動中占主導(dǎo)作用的水動力項(xiàng)，分別建立了適合作為數(shù)據(jù)擬合的機(jī)動模型，并對辨識結(jié)果進(jìn)行仿真驗(yàn)證，為動力學(xué)模型輔助定位和路徑跟隨控制打下技術(shù)基礎(chǔ)。
　　 3、提出基于動力學(xué)模型輔助的航位推算方法，并經(jīng)湖試試驗(yàn)數(shù)據(jù)后處理仿真驗(yàn)證其正確、有效。

6、　　 針對DVL測量數(shù)據(jù)失效或者暫時發(fā)生故障從而導(dǎo)致航位推算得到的位置不能用于定位與控制的問題，基于UUV動力學(xué)模型，提出了利用動力學(xué)模型輔助的航位推算進(jìn)行定位的定位方法。同時，針對輸入動力學(xué)模型輔助的航位推算模塊的速度和姿態(tài)存在參數(shù)偏移的問題，采用海流估計(jì)的速度補(bǔ)償技術(shù)。通過扁平UUV湖試試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理，基于辨識得到的UUV動力學(xué)模型，對動力學(xué)模型輔助的航位推算算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證，解決了DVL測量數(shù)據(jù)失效引起航位推算錯誤的問題

7、，且定位精度滿足任務(wù)需求。
　　 4、提出空間分離、平面制導(dǎo)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想，基于Lyapunov穩(wěn)定性理論為辨識得到的三個子系統(tǒng)分別設(shè)計(jì)控制器，仿真實(shí)現(xiàn)了水下導(dǎo)管架勘測任務(wù)過程中的空間路徑跟隨。
　　 首先，針對速度控制系統(tǒng)的縱向速度在擾動下達(dá)到設(shè)定航速的控制品質(zhì)較差，采用帶參數(shù)校正的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)速度控制器來實(shí)現(xiàn)航速控制。其次，針對深度控制系統(tǒng)的相關(guān)狀態(tài)受擾動影響而發(fā)散或者不穩(wěn)定，利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計(jì)時變水動力阻尼引

8、起的UUV模型不確定項(xiàng)和外界干擾，并設(shè)計(jì)了自適應(yīng)律來實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的最優(yōu)估計(jì)，同時利用具有迭代思想的反步法提出設(shè)計(jì)虛擬控制輸入保證地形跟蹤誤差漸近趨于零。再次，針對欠驅(qū)動UUV水平面運(yùn)動控制器設(shè)計(jì)方法受限的問題，提出將其在水平面的機(jī)動問題分解為關(guān)于空間位置關(guān)系的幾何學(xué)問題和關(guān)于載體縱向運(yùn)動航速的動力學(xué)問題。在載體縱向運(yùn)動航速可控的情況下，針對幾何學(xué)問題，提出了直線段路徑和圓路徑的LOS航向制導(dǎo)律，并設(shè)計(jì)了自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)航向控制器。最后

9、，針對導(dǎo)管架平臺檢測的工程案例，設(shè)計(jì)空間螺旋路徑跟隨試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值仿真，仿真結(jié)果表明在空間分離、平面制導(dǎo)思想下設(shè)計(jì)的空間路徑跟隨控制器能夠快速地以零穩(wěn)態(tài)誤差實(shí)現(xiàn)扁平UUV空間曲線的精確路徑跟隨，且該控制器對干擾有很強(qiáng)魯棒性。同時，針對DVL測量失效進(jìn)行了路徑跟隨控制仿真，仿真結(jié)果表明動力學(xué)模型輔助的航位推算在路徑跟隨控制中起到了輔助定位的作用，且控制效果良好。
　　 本文深入開展了扁平UUV的動力學(xué)模型辨識、基于動力學(xué)模型的輔助定