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基于扁平UUV动力学模型的导航定位与路径跟随控制方法研究

作　者: 周佳加
导　师: 边信黔
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: UUV 动力学模型参数辨识动力学模型辅助的航位推算空间路径跟随控制方法
分类号: U674.941
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着人类对资源的需求日趋增长,近年来世界各国加快加强了对海洋资源的开发、利用和争夺。其中,作为资源勘探,环境监测和海域侦查的特种设备,多功能无人水下航行器(UUV)是一种体积小、可控制性好、长续航能力和强搭载能力的移动载体,可满足军事领域,科学领域和经济领域的不同需求。然而,UUV本身是高技术的集成体,加上工作环境具有复杂性和未知性,这对其安全航行和顺利执行使命任务提出很高要求。因此,为了使得UUV的使用可行、可信,将相关理论结合载体的动力学特性和控制要求,研究载体的动力学模型,及载体导航定位、空间制导与运动控制方法,对于提高UUV的技术保障和加快工程化应用进程有重要的意义。航位推算方法是目前最常用的导航定位方法之一,而UUV在执行使命任务过程中若多普勒计程仪(DVL)测量数据失效则会引起航位推算错误,此时载体由于位置未知将无法实现UUV的路径跟随控制。本文首先在不增加传感器的前提下,基于扁平UUV动力学模型对航位推算进行研究,接着当载体位置可知时,利用动力学模型辨识得到的三个子系统对空间路径跟随控制方法进行了深入的研究。1、建立扁平UUV的空间六自由度动力学模型,确定了路径跟随运动过程中主要的扰动量。针对扁平UUV的动态运动模型建模问题展开研究,根据牛顿-欧拉方程表示的UUV动力学模型,结合其几何外形和执行机构等附体的分布情况,对其运动特性进行了分析,建立了该扁平UUV的空间六自由度动力学模型；针对其路径跟随运动过程中所受各种干扰,分析并找出了主要的扰动量,包括非结构化不确定性干扰,水流干扰,模型不确定性干扰,海浪干扰及载体自身水动力引起的扰动。2、提出基于TLS误差准则的参数辨识方法,实现了UUV纵向、水平面和垂直面机动中占主导作用的水动力项的参数辨识。针对数据矩阵与观测向量均存在误差时引起的参数估计值失准的问题,立足UUV动力学模型水动力参数辨识的三要素,对其参数估计进行深入的探讨,提出了基于TLS的误差准则进行参数辨识。针对牛顿-欧拉方程表示的UUV动力学模型过于复杂不适合参数辨识、定位推算和运动控制应用的问题,结合使命任务对路径跟随系统稳定性和准确性的要求,根据UUV的运动学和动力学特性,得到UUV在纵向运动、水平面机动和垂直面机动中占主导作用的水动力项,分别建立了适合作为数据拟合的机动模型,并对辨识结果进行仿真验证,为动力学模型辅助定位和路径跟随控制打下技术基础。3、提出基于动力学模型辅助的航位推算方法,并经湖试试验数据后处理仿真验证其正确、有效。针对DVL测量数据失效或者暂时发生故障从而导致航位推算得到的位置不能用于定位与控制的问题,基于UUV动力学模型,提出了利用动力学模型辅助的航位推算进行定位的定位方法。同时,针对输入动力学模型辅助的航位推算模块的速度和姿态存在参数偏移的问题,采用海流估计的速度补偿技术。通过扁平UUV湖试试验数据进行数据后处理,基于辨识得到的UUV动力学模型,对动力学模型辅助的航位推算算法进行仿真验证,解决了DVL测量数据失效引起航位推算错误的问题,且定位精度满足任务需求。4、提出空间分离、平面制导的设计指导思想,基于Lyapunov稳定性理论为辨识得到的三个子系统分别设计控制器,仿真实现了水下导管架勘测任务过程中的空间路径跟随。首先,针对速度控制系统的纵向速度在扰动下达到设定航速的控制品质较差,采用带参数校正的自适应神经网络速度控制器来实现航速控制。其次,针对深度控制系统的相关状态受扰动影响而发散或者不稳定,利用RBF神经网络估计时变水动力阻尼引起的UUV模型不确定项和外界干扰,并设计了自适应律来实现神经网络权值的最优估计,同时利用具有迭代思想的反步法提出设计虚拟控制输入保证地形跟踪误差渐近趋于零。再次,针对欠驱动UUV水平面运动控制器设计方法受限的问题,提出将其在水平面的机动问题分解为关于空间位置关系的几何学问题和关于载体纵向运动航速的动力学问题。在载体纵向运动航速可控的情况下,针对几何学问题,提出了直线段路径和圆路径的LOS航向制导律,并设计了自适应神经网络航向控制器。最后,针对导管架平台检测的工程案例,设计空间螺旋路径跟随试验进行数值仿真,仿真结果表明在空间分离、平面制导思想下设计的空间路径跟随控制器能够快速地以零稳态误差实现扁平UUV空间曲线的精确路径跟随,且该控制器对干扰有很强鲁棒性。同时,针对DVL测量失效进行了路径跟随控制仿真,仿真结果表明动力学模型辅助的航位推算在路径跟随控制中起到了辅助定位的作用,且控制效果良好。本文深入开展了扁平UUV的动力学模型辨识、基于动力学模型的辅助定位以及空间路径跟随控制方法研究,论文研究理论成果对于UUV安全、可靠的完成水下使命任务,具有重要的工程实用价值。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
第1章绪论  13-27
  1.1 课题的来源与意义  13-14
  1.2 UUV的发展状况  14-18
    1.2.1 国外发展状况  14-17
    1.2.2 国内发展状况  17-18
  1.3 UUV导航定位及控制技术的国内外现状  18-25
    1.3.1 国外研究状况  18-22
    1.3.2 国内研究状况  22-25
  1.4 论文主要研究内容  25-27
第2章扁平UUV动力学模型建模与分析  27-45
  2.1 引言  27
  2.2 扁平UUV的6-DOF动力学模型  27-33
    2.2.1 坐标系与运动参数定义  27-28
    2.2.2 坐标系变换  28-29
    2.2.3 扁平UUV的6-DOF动力学方程  29-33
  2.3 扁平UUV特性分析  33-41
    2.3.1 水平面运动特性分析  34-38
    2.3.2 垂直面运动特性分析  38-39
    2.3.3 区间约束特性分析  39-40
    2.3.4 不对称性特性分析  40-41
  2.4 UUV运动过程中扰动量分析  41-44
  2.5 本章小结  44-45
第3章扁平UUV动力学模型参数辨识  45-61
  3.1 引言  45
  3.2 约束条件下全局最小二乘辨识方法论述  45-47
    3.2.1 全局最小二乘法  45-47
    3.2.2 TLS与OLS的比较  47
  3.3 扁平UUV运动模型参数估计分析  47-50
    3.3.1 解耦的UUV纵向运动模型  48
    3.3.2 耦合的水平面UUV机动模型  48-49
    3.3.3 受静力约束的垂直面UUV机动模型  49-50
  3.4 基于TLS的扁平UUV参数估计及验证  50-60
    3.4.1 UUV纵向运动方程参数辨识  50-52
    3.4.2 水平面UUV机动模型参数辨识  52-56
    3.4.3 垂直面UUV机动模型参数辨识  56-60
  3.5 本章小结  60-61
第4章 UUV动力学模型辅助的航位推算  61-79
  4.1 引言  61
  4.2 航位推算原理  61-64
  4.3 模型辅助的航位推算原理及实现方式  64-67
    4.3.1 动力学模型辅助的航位推算原理  64-66
    4.3.2 动力学模型辅助的航位推算的实现方式  66-67
  4.4 模型辅助的航位推算的算法设计  67-72
    4.4.1 航位推算算法设计  67-69
    4.4.2 UUV动力学模型模块算法设计  69
    4.4.3 流场估计的速度补偿算法设计  69-72
  4.5 基于扁平UUV动力学模型的航位推算方法验证  72-78
    4.5.1 试验设计  73-74
    4.5.2 基于扁平UUV动力学模型的速度预测及分析  74-76
    4.5.3 扁平UUV动力学模型辅助的航位推算仿真结果及分析  76-78
  4.6 本章小结  78-79
第5章基于UUV动力学模型的空间路径跟随控制与仿真验证  79-119
  5.1 引言  79
  5.2 UUV路径跟随控制仿真系统  79-80
  5.3 自适应神经网络控制方法简述  80-81
  5.4 基于Lyapunov稳定性分析的自适应神经网络控制  81-95
    5.4.1 带参数校正的自适应神经网络速度控制器设计  81-84
      5.4.1.1 问题描述  81-82
      5.4.1.2 带参数校正的自适应神经网络速度控制器设计  82-84
    5.4.2 带约束的自适应神经网络水平面路径跟随控制器设计  84-91
      5.4.2.1 问题描述  84-85
      5.4.2.2 带约束的自适应神经网络水平面路径跟随控制器设计  85-91
    5.4.3 自适应神经网络深度控制器设计  91-95
      5.4.3.1 问题描述  91
      5.4.3.2 自适应神经网络深度控制器设计  91-95
  5.5 扁平UUV路径跟随系统试验设计及仿真验证  95-118
    5.5.1 UUV航速控制仿真  95-98
    5.5.2 UUV水平面路径跟随控制试验设计及仿真  98-105
    5.5.3 UUV深度控制试验设计及仿真  105-109
    5.5.4 空间曲线的路径跟随试验设计及仿真  109-118
      5.5.4.1 问题描述  109-111
      5.5.4.2 空间螺旋曲线的路径跟随控制仿真  111-115
      5.5.4.3 多普勒计程仪失效时路径跟随控制仿真  115-118
  5.6 本章小结  118-119
结论  119-122
参考文献  122-131
攻读博士期间发表的论文及取得的科研成果简表  131-133
致谢  133

基于扁平UUV动力学模型的导航定位与路径跟随控制方法研究

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