自主水下航行器目標(biāo)跟蹤方法研究.pdf

1、利用自主水下航行器(autonomous underwater vehicle,AUV)進(jìn)行水下目標(biāo)跟蹤是當(dāng)前的熱點(diǎn)研究課題,其在水下礦物探測(cè)、海底管道/電纜檢測(cè)、港口防御甚至是水下目標(biāo)打擊等均有著廣泛的應(yīng)用前景。本文針對(duì)AUV目標(biāo)跟蹤技術(shù)開(kāi)展關(guān)于水下目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)估計(jì)、AUV數(shù)學(xué)模型、目標(biāo)跟蹤導(dǎo)引及控制方法和目標(biāo)跟蹤策略等關(guān)鍵問(wèn)題的研究:
　　首先,針對(duì)目標(biāo)的非機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)和機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)情況,建立典型的水下目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型,包括

2、勻速直線運(yùn)動(dòng)模型(constant velocity,CV model)、勻加速直線運(yùn)動(dòng)模型(constant acceralation,CAmodel)、Singer加速度模型、轉(zhuǎn)彎速率已知的勻速轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)模型(constant turn rate,CT model)以及轉(zhuǎn)彎速率未知的勻速轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)模型,并給出運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。
　　其次,目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)估計(jì)方法研究。在給出目標(biāo)狀態(tài)估計(jì)基本概念、標(biāo)準(zhǔn)卡爾曼濾波(Kalman filter,K

3、F)原理基礎(chǔ)上,分別設(shè)計(jì)基于標(biāo)準(zhǔn)卡爾曼濾波器、擴(kuò)展卡爾曼濾波器(extended Kalman filter,EKF)、無(wú)跡卡爾曼濾波器(unscented Kalman filter,UKF)以及交互多模型(interacting multiple model,IMM)算法的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)估計(jì)方法,并針對(duì)不同的估計(jì)方法設(shè)計(jì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)估計(jì)仿真實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)估計(jì)方法的有效性。
　　再次,目標(biāo)跟蹤控制器設(shè)計(jì)及目標(biāo)跟蹤策

4、略研究。建立定常海流數(shù)學(xué)模型、無(wú)海流時(shí)的AUV數(shù)學(xué)模型(包括運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型)以及海流干擾下的AUV數(shù)學(xué)模型,并通過(guò)推力為定值、轉(zhuǎn)航力矩為零和推力與轉(zhuǎn)航力矩均為定值的仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所建立的AUV數(shù)學(xué)模型是正確的;介紹了目標(biāo)跟蹤導(dǎo)引方法,引入純追蹤法(pure pursuit,PP)作為目標(biāo)跟蹤導(dǎo)引方法;分別在速度控制和航向控制兩方面設(shè)計(jì)獨(dú)立的PID控制器,通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證目標(biāo)勻速直線運(yùn)動(dòng)、勻速轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)時(shí)AUV目標(biāo)跟蹤控制器的有效性

5、;根據(jù)水下目標(biāo)跟蹤AUV與目標(biāo)的相對(duì)距離應(yīng)小于傳感器探測(cè)距離而大于與目標(biāo)的相對(duì)危險(xiǎn)距離以及AUV能量消耗最小的約束條件設(shè)計(jì)目標(biāo)跟蹤策略。
　　最后,將以上設(shè)計(jì)的水下目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)估計(jì)方法、AUV數(shù)學(xué)模型、AUV目標(biāo)跟蹤控制器以及目標(biāo)跟蹤策略進(jìn)行整合,構(gòu)建AUV目標(biāo)跟蹤軟件仿真平臺(tái),完成目標(biāo)勻速直線運(yùn)動(dòng)跟蹤與目標(biāo)勻速轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)跟蹤仿真實(shí)驗(yàn),通過(guò)設(shè)計(jì)典型仿真案例,驗(yàn)證目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)估計(jì)方法、AUV數(shù)學(xué)模型、目標(biāo)跟蹤控制器以及目