基于预测控制的UUV绿色动态控位方法研究

发布时间：2020-08-26 11:36

【摘要】：水下无人航行器(Unmanned Underwater Vehicle,UUV)的动态控位过程,即指在环境干扰下,UUV通过各个推进器装置,实时输出控制推力,使自身位置保持在某目标区域的过程。在实际工程应用中,由于UUV的动态控位过程存在推进器过度频繁动车等问题,导致UUV无法完成长时间作业任务,因此本文主要针对UUV的绿色动态控位方法展开了研究。本文主要研究内容有:首先,建立了研究对象的数学模型。根据UUV水动力特性及自身结构特性,结合UUV绿色动态控位过程中的实际需求,对上述模型进行了适当简化,得到后续研究可用的简化模型,并进行相关仿真试验,验证了模型的合理性。其次,针对UUV动态控位过程中位置、艏向测量信息中的环境噪声对控制产生干扰的问题,设计了基于无迹高斯粒子滤波的状态估计滤波器。针对传统高斯粒子滤波器自身存在的粒子退化与贫化的缺陷问题,提出了利用UKF来产生高斯分布并生成粒子滤波中重要性函数的方法,使重要性密度函数更接近于真实分布,从而有效地减弱了由粒子退化和贫化所引起的滤波精度下降问题。并设计了仿真案例,通过与无迹卡尔曼滤波器的对照试验,验证了本文所设计滤波器的有效性及优越性。再次,针对UUV绿色动态控位的需求,提出了一种基于GreenDP思想的间断控制策略。设计了一种基于解析非线性模型预测控制的动态控位控制器。结合前述UUV简化模型,通过给定性能指标,运用泰勒级数展开与李导数求解出了UUV在连续时间下的最优控制率,完成了动态控位控制器设计,并对该状态控制器的稳定性给出了证明。最后,结合工程应用,设计了具体案例,完成了UUV定点悬停与绿色动态控位过程的仿真实验。仿真实验包括一组与传统PID控制器的对照实验,以及在定常海流干扰下,对UUV绿色动态控位策略的验证实验。实验结果表明,本文设计的控制器较PID控制器相比具有更稳定的控制效果,且本文提出的UUV绿色控位间断控制策略具备可行性及有效性,即本文的设计能够满足UUV绿色动态控位的基本需求。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U674.941
【图文】：

示意图,艏向,示意图,动力定位系统

用途、隐蔽、灵活、智能化的优势。因此，对于 UUV 智能海洋技术研究的重点。力定位包含艏向控制、定点控位与航迹控制三个基本功能。向与期望的艏向存在偏差时，动力定位系统会自动的改变的艏向精确控制到期望艏向，如图 1.1 所示。定点控位是指偏离期望位置时，动力定位系统就能自动的控制 UUV 回到能够精确的维持在期望位置处。定点控位示意图如图 1.2 所时，UUV 能够保持在期望点处。航迹控制是指 UUV 在作迹运动，人为的给定航迹指令与速度指令，动力定位系统就的轨迹航行，直至到达终点。如图 1.3 所示，UUV 航迹控型循迹控制来监测海洋环境，以及用于海底管道的检修。海流

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示意图,航迹控制,示意图

图 1.3 UUV 航迹控制示意图V 在众多应用中具有其他装备无可替代的优势，但是受到目前大多数 UUV 只能进行短时的作业任务，作业完成后必这就会限制了 UUV 的应用范围。对于在一些特定的自主任间问题，在保证完成 UUV 指定任务的前提下，UUV 在执的范围内，并不是悬停在固定的位置，即 UUV 的绿色动态想源于挪威的 KongsbergSimrad 公司的一款极具代表性的产een-DP），传统的动态控位控制器未设有外部约束，即相应终处于精确的位置保持状态，缺少弹性的松弛控位特点，船位置[5]。与传统的固定点位置的动力定位相比，绿色 DP 的燃环保。UUV 定点悬停控位是绿色控位的一种特殊形式，绿点控位，能够降低推进器的工作频率，可以减少 UUV 自身噪的目的，提高了 UUV 自身的隐蔽性，增加了 UUV 的水作业目标。因此对于 UUV 绿色动态控位的研究具有一定的

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