【摘要】：無人水下航行器(Unmanned Underwater Vehicle,UUV)是一種具有自主能力的水下運載工具,在軍事、科學和經(jīng)濟等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用,能夠完成情報搜集、地形地貌勘測、沉船打撈、海底搜救等任務(wù)。在執(zhí)行這些任務(wù),尤其是海底地形地貌勘測時,為獲得更加精確的信息,需要UUV與海底保持較近的穩(wěn)定高度,即近海底地形跟蹤。然而,在實際海洋環(huán)境中,海底地形未知且崎嶇不平,這就導致UUV實現(xiàn)地形跟蹤的難度大、效率低。正因如此,研究在未知環(huán)境下UUV的近海底地形跟蹤問題具有非常重要的理論意義及實用價值。本文針對UUV在未知環(huán)境中的近海底地形跟蹤問題提出了一種根據(jù)地形特征制導的跟蹤策略。首先,通過對近海底地形跟蹤問題的分析,設(shè)計了三個單波束探測聲納探測海底地形的基礎(chǔ)架構(gòu);其次,基于單波束測距聲納的測距融合信息進行海底地形特征提取;最后,提出根據(jù)地形特征確定UUV航行高度指令的近海底地形跟蹤策略。本文針對三維未知海底地形跟蹤問題,提出一種UUV近海底跟蹤控制架構(gòu)。它將三維海底地形跟蹤轉(zhuǎn)化為水平面和垂直面的聯(lián)合控制,即UUV在水平面上跟蹤期望的二維水平面航跡點,在垂直面上根據(jù)近海底地形跟蹤策略,采用反步法設(shè)計高度控制器控制UUV的航行高度,從而實現(xiàn)UUV對三維近海底地形的實時跟蹤。本文使用MATLAB軟件對上述控制策略及方法進行了仿真驗證。首先,建立了四種典型二維海底地形模型即上坡地形、下坡地形、凸形地形及凹形地形。通過對四種地形的跟蹤,驗證控制方法的實時性及有效性。然后,開展了UUV不同聲納安裝角度、不同航速的地形跟蹤仿真試驗研究;最后,建立了復雜三維海底地形,對所提地形跟蹤控制架構(gòu)、跟蹤策略及跟蹤控制方法進行了整體驗證。通過仿真試驗驗證,本文所提出的近海底地形跟蹤控制策略和控制方法不僅可以精確跟蹤平緩地形,也可以有效識別并安全跟蹤崎嶇地形,易于工程實現(xiàn),具有良好的實用價值。
【學位授予單位】：哈爾濱工程大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：U674.941
【圖文】：

進入 21 世紀，隨著世界經(jīng)濟的快速發(fā)展和人口的不斷增加，陸地資源匱乏問題越來越嚴重，人類的持續(xù)發(fā)展面臨挑戰(zhàn)。眾所周知，海洋約占地球表面積的百分之七十一，擁有豐富的生物資源和礦物資源，是人類可有效利用的且未充分開發(fā)的巨大資源寶庫，所以人們把目光投向了海洋資源的開發(fā)和利用。目前，海洋經(jīng)濟已經(jīng)成為世界經(jīng)濟新的增長點。2017 年中國海洋生產(chǎn)總值在國民生產(chǎn)總值的比重已經(jīng)達到了 9.4％，并且這個比重還在快速增長中[1]，雖然中國的海洋經(jīng)濟已經(jīng)取得了階段性的成果，但是中國海洋國土的開發(fā)利用和保護還面臨著巨大挑戰(zhàn)。中國東海南海大陸架內(nèi)擁有豐富的資源儲量，卻遭到周邊國家的掠奪性開發(fā)。所以中國需要先進的海洋裝備進行海洋資源的開發(fā)和權(quán)益海域的保護。無人水下航行器（Unmanned Underwater Vehicle, UUV）是一種公認的很有發(fā)展前途的智能化水下運載體，其在水下軍事及民用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在軍事領(lǐng)域 2004 年美國海軍在《UUV 主規(guī)劃》報告中給出了九種軍事使命，如反潛、負載投送及時敏打擊等[2]；在民用領(lǐng)域 UUV 廣泛的用于海底地形勘測、水文調(diào)查、海底管道檢修及搜救等[3,4,5]；如圖 1.1。

哈爾濱工程大學碩士學位論文相對高度降低了探測的品質(zhì)。所以為了獲得良好的地形勘探結(jié)果就必須讓 UUV 抵近海底定高航行。但是，此時 UUV 有與海底地凸起地形相撞的危險，這就要求 UUV 具有避障能力。但是海底凸起也是海底地形地貌的一部分，為了獲得全面良好的地形地貌勘探結(jié)果就要求 UUV 在避障的同時相對海底的航行高度不能變化太大。綜上，UUV 近海底地形跟蹤是一種綜合了避障的定高航行，即 UUV 在定高航行的同時有避障的能力，在避障的同時又能保障相對海底高度的較小變化。顯然這種地形跟蹤比單純的定高或者避障更有實際意義，同時實現(xiàn)難度也很大。但是，一旦這種技術(shù)變得成熟其不僅在海底地形地貌探測中可以發(fā)揮巨大作用，在管道檢修、海底搜救以及軍事行動中都會發(fā)揮巨大作用，尤其是在軍事中要求 UUV 要有高度隱蔽性，近海底航行可以有效的提高航行器的隱蔽能力[7,8]。圖 1.2 為東海及南海部分海域海底地形。

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本文編號：2728035