水面救援目标状态估计与跟踪控制方法研究

发布时间：2020-03-24 10:21

【摘要】：当潜艇由于发生故障失去动力而在海上受风、浪、流等环境作用呈现漂浮运动时,需要通过水面救援船舶搜寻、抵近失事潜艇,并利用传感器有效探测信息持续精确跟踪失事潜艇,以方便有效地实施水面救援。而环境条件恶劣(如四级海况)时,风、流、浪涌作用使得救援船与失事艇在水面上的升沉运动,极易造成传感器测量信息短暂缺失,这对开展有效的水面跟踪与救援带来极大的难度与危险。因此,研究水面目标状态估计与跟踪控制方法具有重要的理论研究和工程实际作用。本文针对水面目标救援跟踪控制系统,主要展开以下研究工作:首先,针对水面目标救助问题,建立救援船与目标艇动力学模型,并对风、浪、流等环境因素建模,通过仿真实验验证所建模型的合理性和正确性。其次,基于MiniRadascan微波参考系统测量原理,设计相对距离和相对艏向的解算方案;针对常规高斯滤波器在处理非高斯状态估计问题时出现的性能退化甚至发散的情况,设计容积粒子滤波器,实现非高斯噪声条件下目标状态估计;针对粒子滤波器存在计算量大的问题,提出高斯混合容积卡尔曼滤波器;再次,利用六自由度运动平台模拟MiniRadascan出现量测值缺失的情况,针对现有量测值缺失时目标状态估计方法只能利用系统模型预测的问题,设计基于历史量测数据拟合预测的状态转移模型,并提出量测数据滑窗宽度自适应调整策略,提高状态转移模型拟合精度;针对高斯混合滤波器中高斯分量权值在量测值缺失时仍保持不变导致估计精度降低的问题,基于Chapman-Kolmogorov方程设计高斯分量权值自适应调整策略,提高量测值缺失条件下的目标状态估计精度;然后,针对四级海况下高频运动对救援船控制系统造成不必要损耗问题,设计救援船运动估计滤波器,估计其运动状态;针对水面目标救援跟踪中仅通过雷达获取目标艇的位置信息、无法获得其准确轨迹的问题,提出基于平行目标接近导引律的抗饱和跟踪控制方法,引入滤波反步法解决常规反步法需对虚拟控制量解析求导带来的“计算膨胀”不足;抗饱和环节保证控制执行机构输出量较低且平滑,有助于延长执行机构使用寿命;并利用粒子群优化算法对控制器参数寻优,提高跟踪控制器精度;最后,基于六自由度运动平台搭建目标跟踪模拟试验系统,利用MiniRadascan实测数据验证高斯混合容积卡尔曼滤波以及量测量短暂缺失情况下的目标状态估计算法;针对不同的目标运动状态对跟踪控制器进行试验验证;试验结果证明所设计估计方法与控制器的可行性及准确性。
【图文】：

图 1. 1 水面目标跟踪应用Fig1. 1Application of water surface target tracking给船对接收船的跟踪在国外文献中称为 Under Replenishment(UNREP,图 1要对被补给船进行位置跟踪，，在补给过程中始终与其保持固定的相对位置离和艏向，避免发生船舶碰撞的事故。而且在跟踪过程中，由于距离较近

图 1. 2 军舰补给及仿真实验图Fig1. 2 naval ships performing underway replenishment and simulation国内方面，文献[8]提出了相对漂浮船动力定位跟踪控制的概念，使两船始终保定的位置和艏向。文中对环境力进行建模，设计了基于神经网络的 BP-PN-PID 两种控制器用于动力定位船与目标的相对位置和艏向控制。文献[9]同样
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U676.8;TP273

【参考文献】

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本文编号：2598185