【摘要】：利用水下無人航行器(UUV)探索水下未知環(huán)境是當前國內(nèi)外研究的一大熱點和難點,水下環(huán)境十分復(fù)雜,實現(xiàn)水下環(huán)境探測需要克服更多的困難,因此對UUV探索水下未知環(huán)境問題的研究具有十分重要的意義。本文對UUV的同步探測與巡岸控制(Simultaneous Detection and Patrolling,SDAP)問題進行了研究,在UUV安裝水下激光測距儀作為采集信息的傳感器。對涉及的數(shù)據(jù)預(yù)處理、地圖輪廓構(gòu)建、路徑點提取、路徑跟蹤等問題進行探索,主要研究的內(nèi)容為:首先,在固定坐標系和運動坐標系的參考下,分別建立了UUV的六自由度運動學(xué)模型和動力學(xué)模型,然后針對本文SDAP水平面UUV路徑跟蹤控制的要求,將其簡化為三自由度UUV模型,并進行了模型操縱性的仿真驗證,為后續(xù)的UUV積分滑�？刂破鞯脑O(shè)計奠定了基礎(chǔ)。然后,針對激光測距儀所獲取數(shù)據(jù)的特點,根據(jù)小波聚類的思想,提出一種基于小波聚類的UUV巡岸地圖輪廓構(gòu)建方法,該方法分為三步:第一步是局部小波聚類,通過對當前視域內(nèi)的數(shù)據(jù)點進行聚類,得出孤立點備選集和各個類的集合;第二步進行全局聚類決策,對備選集和各個類集進行分析決策,給出具體的孤立點集合和輪廓點集合,有效防止誤判;第三步利用Alpha-Shapes方法對輪廓點中不同的類分別構(gòu)建輪廓。其次,根據(jù)數(shù)據(jù)輪廓為帶狀有序的特點,設(shè)計一種根據(jù)數(shù)據(jù)輪廓獲取理想路徑的方法,首先根據(jù)參考距離l提取類簇骨架,判斷UUV與所提取骨架的相對位置,留出安全距離后求出路徑點,依次連接路徑點并使用三次樣條曲線進行平滑處理,最終得到了UUV需要跟蹤的期望路徑,巡岸問題轉(zhuǎn)化為路徑跟蹤問題。再次,針對欠驅(qū)動UUV水平面路徑跟蹤系統(tǒng),根據(jù)UUV誤差方程,將虛擬向?qū)俣茸鳛檩斎胙a齊輸入個數(shù)形成全驅(qū)動UUV,并將控制分解為縱向速度跟蹤子系統(tǒng)、位置跟蹤子系統(tǒng)和艏向角跟蹤子系統(tǒng),分別設(shè)計三個系統(tǒng)的控制律。根據(jù)積分滑模和李雅普諾夫直接法的思想,設(shè)計了一種基于積分滑模的水平面路徑跟蹤控制器,控制器考慮了海流的影響,可以有效跟蹤直線或曲線的路徑,利用李雅普諾夫穩(wěn)定性定理證明了控制器的穩(wěn)定性,對其進行仿真證明了控制器的有效性。最后,在以上的基礎(chǔ)上設(shè)計了仿真實驗,分別在開敞式港池港口和封閉式港池港口環(huán)境下進行仿真驗證,建立了環(huán)境模型,設(shè)計算法評價方法,在MATLAB平臺中對算法進行了驗證,證明基于激光測距的UUV地圖輪廓構(gòu)建與同步巡岸控制方法的可行性。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：U674.941;TN249
【圖文】：

洋底的多金屬資源探測的實用時段。圖 1.1 CR-01型UUV 圖 1.2 CR-02型UUV上海交通大學(xué)用了九年研發(fā)出的“海龍?zhí)枴盪UV，如圖1.3所示。該UUV長度為3.17 m ，寬度為1.81m ，高度為 2.24 m ，質(zhì)量為 3450kg 。2009 年在科考探測任務(wù)中，“海

我國研發(fā)成功了一種新型的滑翔式的 UUV[7]，如圖1.4所示。該UUV成功的構(gòu)建了一個便捷的水下無人探測平臺。不僅利用了水下無人航行器技術(shù)和漂流檢測技術(shù)，還能夠從水的浮力以及艇身位姿的改變中獲取動力，所以它所需能源極少，續(xù)航十分強大，因此其工作區(qū)域直徑達幾百千米，充滿電的情況下一次可以連續(xù)航行幾個月。并且在其海試試驗中，該UUV展現(xiàn)出了強大的抗干擾能力和續(xù)航能力。1.2.1.2 國外研究現(xiàn)狀自1999年，美國便注意到了UUV的發(fā)展?jié)摿�，并發(fā)布了有關(guān)UUV的發(fā)展規(guī)劃《無人潛航器主計劃》[8]。2002年，美國強調(diào)了發(fā)展UUV的重要性，并準備發(fā)展UUV與其他作戰(zhàn)單位之間的通用性及聯(lián)合作戰(zhàn)能力。在2004年 5 月

圖1.5 IVER2型UUV 圖1.6 REMUS600型UUVIVER 2 是一種便攜 UUV ，其直徑為14.7 cm ，質(zhì)量為19.2 kg ，功率為 0.6 k W/可下潛深度最大為100m，使用了Li-Lon 作為電源，可持續(xù)24小時以2.5節(jié)航行。IVE上安裝了深度測量傳感器、壓力傳感器、聲吶、數(shù)字羅盤等，還能自由選擇安裝4、10 波束 DVL 和衛(wèi)星 Modeam 等傳感器。 IVER 2 的設(shè)計使用最前沿的技術(shù)和設(shè)計方其定位是用于收集沿岸數(shù)據(jù)，且體積小，重量輕，發(fā)送回收等任務(wù)都可以由單人完IVER2 的研制經(jīng)過了很多測試試驗，因此可靠性高、功能強大。REMUS600 是一種應(yīng)用于水雷偵查和滅雷工作的輕型 UUV ，如圖 1.6 所示，

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 遲冬南;嚴浙平;趙玉飛;;基于模型的有限預(yù)測逆跟蹤控制[J];系統(tǒng)工程理論與實踐;2015年05期

2 張偉;張明臣;郭毅;陳濤;嚴浙平;;一種回收過程中UUV對運動母船的跟蹤方法[J];哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報;2015年06期

3 徐健;汪慢;喬磊;;欠驅(qū)動無人水下航行器三維軌跡跟蹤的反步控制[J];控制理論與應(yīng)用;2014年11期

4 朱大奇;張光磊;李蓉;;生物啟發(fā)AUV三維軌跡跟蹤控制算法[J];智能系統(tǒng)學(xué)報;2014年02期

5 胡玉梅;;無人水下航行器的發(fā)展與展望[J];電子世界;2013年14期

6 王宏健;陳子印;邊信黔;賈鶴鳴;李娟;;欠驅(qū)動水下航行器三維直線航跡跟蹤控制[J];控制理論與應(yīng)用;2013年04期

7 張瑋;王國超;劉燃;陳禎;唐磊;;環(huán)抱式港池水體交換與改善措施研究[J];水運工程;2013年04期

8 嚴浙平;遲冬南;鄧超;;基于穩(wěn)定逆的UUV路徑跟蹤控制[J];中國造船;2013年01期

9 王宏健;王晶;邊信黔;傅桂霞;;基于組合EKF的自主水下航行器SLAM[J];機器人;2012年01期

10 王成;;執(zhí)著創(chuàng)新 為深海探測服務(wù)——記上海交通大學(xué)教授、“中國深潛之父”朱繼懋[J];海峽科技與產(chǎn)業(yè);2011年11期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前5條

1 陳子印;欠驅(qū)動無人水下航行器三維路徑跟蹤反步控制方法研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2013年

2 遲冬南;未知環(huán)境UUV多元聲測距與同步巡岸控制方法[D];哈爾濱工程大學(xué);2013年

3 向先波;二階非完整性水下機器人的路徑跟蹤與協(xié)調(diào)控制研究[D];華中科技大學(xué);2010年

4 程相勤;基于滑模理論的欠驅(qū)動UUV空間曲線路徑跟蹤控制[D];哈爾濱工程大學(xué);2011年

5 武心安;未知環(huán)境下自主式水下潛器路徑規(guī)劃問題研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2010年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 尹強;基于反演滑模的欠驅(qū)動AUV的路徑跟蹤控制研究[D];大連海事大學(xué);2016年

2 梁志成;基于自適應(yīng)滑模的欠驅(qū)動UUV路徑跟蹤控制研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2016年

3 樂亞南;基于曲線擬合理論的點云數(shù)據(jù)處理分析[D];西南交通大學(xué);2015年

4 熊菡;移動機器人全局路徑規(guī)劃及軌跡跟蹤研究[D];武漢科技大學(xué);2014年

5 李兵;基于聯(lián)合仿真的智能車輛路徑跟蹤控制研究[D];大連理工大學(xué);2014年

6 王宇;典型混沌系統(tǒng)脈沖自適應(yīng)混合同步控制研究[D];重慶大學(xué);2014年

7 徐達;水下回收過程中UUV軌跡規(guī)劃與跟蹤控制方法研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2014年

8 高海濤;UUV循跡跟蹤與環(huán)境最優(yōu)控位方法研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2014年

9 高超;幾類系統(tǒng)的積分滑�？刂茊栴}的研究[D];中國海洋大學(xué);2013年

10 于金冶;面向觀探測的微小型UUV控制系統(tǒng)研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2013年

本文編號：2763263