基于激光测距的UUV地图轮廓构建与同步巡岸控制方法研究

发布时间：2020-07-20 09:32

【摘要】：利用水下无人航行器(UUV)探索水下未知环境是当前国内外研究的一大热点和难点,水下环境十分复杂,实现水下环境探测需要克服更多的困难,因此对UUV探索水下未知环境问题的研究具有十分重要的意义。本文对UUV的同步探测与巡岸控制(Simultaneous Detection and Patrolling,SDAP)问题进行了研究,在UUV安装水下激光测距仪作为采集信息的传感器。对涉及的数据预处理、地图轮廓构建、路径点提取、路径跟踪等问题进行探索,主要研究的内容为:首先,在固定坐标系和运动坐标系的参考下,分别建立了UUV的六自由度运动学模型和动力学模型,然后针对本文SDAP水平面UUV路径跟踪控制的要求,将其简化为三自由度UUV模型,并进行了模型操纵性的仿真验证,为后续的UUV积分滑模控制器的设计奠定了基础。然后,针对激光测距仪所获取数据的特点,根据小波聚类的思想,提出一种基于小波聚类的UUV巡岸地图轮廓构建方法,该方法分为三步:第一步是局部小波聚类,通过对当前视域内的数据点进行聚类,得出孤立点备选集和各个类的集合;第二步进行全局聚类决策,对备选集和各个类集进行分析决策,给出具体的孤立点集合和轮廓点集合,有效防止误判;第三步利用Alpha-Shapes方法对轮廓点中不同的类分别构建轮廓。其次,根据数据轮廓为带状有序的特点,设计一种根据数据轮廓获取理想路径的方法,首先根据参考距离l提取类簇骨架,判断UUV与所提取骨架的相对位置,留出安全距离后求出路径点,依次连接路径点并使用三次样条曲线进行平滑处理,最终得到了UUV需要跟踪的期望路径,巡岸问题转化为路径跟踪问题。再次,针对欠驱动UUV水平面路径跟踪系统,根据UUV误差方程,将虚拟向导速度作为输入补齐输入个数形成全驱动UUV,并将控制分解为纵向速度跟踪子系统、位置跟踪子系统和艏向角跟踪子系统,分别设计三个系统的控制律。根据积分滑模和李雅普诺夫直接法的思想,设计了一种基于积分滑模的水平面路径跟踪控制器,控制器考虑了海流的影响,可以有效跟踪直线或曲线的路径,利用李雅普诺夫稳定性定理证明了控制器的稳定性,对其进行仿真证明了控制器的有效性。最后,在以上的基础上设计了仿真实验,分别在开敞式港池港口和封闭式港池港口环境下进行仿真验证,建立了环境模型,设计算法评价方法,在MATLAB平台中对算法进行了验证,证明基于激光测距的UUV地图轮廓构建与同步巡岸控制方法的可行性。
【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】：2018
【分类号】：U674.941;TN249
【图文】：

洋底的多金属资源探测的实用时段。图 1.1 CR-01型UUV 图 1.2 CR-02型UUV上海交通大学用了九年研发出的“海龙号”UUV，如图1.3所示。该UUV长度为3.17 m ，宽度为1.81m ，高度为 2.24 m ，质量为 3450kg 。2009 年在科考探测任务中，“海

我国研发成功了一种新型的滑翔式的 UUV[7]，如图1.4所示。该UUV成功的构建了一个便捷的水下无人探测平台。不仅利用了水下无人航行器技术和漂流检测技术，还能够从水的浮力以及艇身位姿的改变中获取动力，所以它所需能源极少，续航十分强大，因此其工作区域直径达几百千米，充满电的情况下一次可以连续航行几个月。并且在其海试试验中，该UUV展现出了强大的抗干扰能力和续航能力。1.2.1.2 国外研究现状自1999年，美国便注意到了UUV的发展潜力，并发布了有关UUV的发展规划《无人潜航器主计划》[8]。2002年，美国强调了发展UUV的重要性，并准备发展UUV与其他作战单位之间的通用性及联合作战能力。在2004年 5 月

图1.5 IVER2型UUV 图1.6 REMUS600型UUVIVER 2 是一种便携 UUV ，其直径为14.7 cm ，质量为19.2 kg ，功率为 0.6 k W/可下潜深度最大为100m，使用了Li-Lon 作为电源，可持续24小时以2.5节航行。IVE上安装了深度测量传感器、压力传感器、声呐、数字罗盘等，还能自由选择安装4、10 波束 DVL 和卫星 Modeam 等传感器。 IVER 2 的设计使用最前沿的技术和设计方其定位是用于收集沿岸数据，且体积小，重量轻，发送回收等任务都可以由单人完IVER2 的研制经过了很多测试试验，因此可靠性高、功能强大。REMUS600 是一种应用于水雷侦查和灭雷工作的轻型 UUV ，如图 1.6 所示，

【参考文献】

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本文编号：2763263