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海洋环境下AUV目标跟踪控制研究

张辉  
【摘要】:近几年来,随着对海洋资源的开发和利用,自主水下航行器(AUV)的研究成为一个热门的领域。一方面,它可以减少人类下潜的危险,完成一些人类不能完成的任务,另一方面它可以随意地在海底畅游,获得更多人类和仪器无法观测的水下信息。目标跟踪研究是AUV技术研究的热点领域之一。本文针对AUV跟踪水平面运动目标的问题,采用了李亚谱诺夫和反步法结合的设计思想,设计目标跟踪控制器,以解决欠驱动AUV跟踪水平面目标轨迹的控制问题。AUV目标跟踪的研究,对于声纳探测、水下作战、海上安全作业及海洋开发等领域有着广泛的应用价值。 本论文主要从以下方面对AUV目标跟踪问题进行了研究: 首先,数学模型的建立,包括AUV运动建模、环境干扰模型和目标运动模型。AUV运动建模包括坐标系、AUV推进器模型和六自由度模型;环境干扰模型主要研究了海流模型;目标运动模型包括匀速(CV)模型、匀加速(CA)模型和联合转弯(CT)模型。 其次,基于卡尔曼滤波理论对目标运动状态进行估计。首先讨论了估计和滤波的基本理论;然后分别研究了卡尔曼滤波、扩展卡尔曼滤波和变维(VD)卡尔曼滤波的原理与算法;最后基于以上三种不同的卡尔曼滤波算法,针对几种不同的典型目标运动模型,对目标的运动状态做出了估计仿真。 再次,在欠驱动AUV模型的基础上,设计目标跟踪控制器。首先讨论了目标跟踪分类问题和约束条件;然后建立欠驱动AUV的运动学和动力学模型,并对目标运动轨迹进行规划,计算出AUV跟踪目标轨迹所需的参考速度;接着,研究了反步法控制原理,采用非线性控制理论中的反步法思想和李亚谱诺夫相结合的方法,设计目标跟踪控制器,并详细研究了控制器的设计过程,给出了控制器的微分方程组。 最后,采用欠驱动AUV模型,利用设计的目标跟踪控制器,对目标运动轨迹进行仿真,并给出了目标轨迹跟踪图和误差变量的仿真图,根据仿真结果,可以验证针本文中设计的目标跟踪控制器,在欠驱动AUV模型的基础上,可以对目标运动轨迹进行跟踪的可行性和可靠性。


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