剩余浮力影响下AUV地形跟踪方法研究

Bottom following control is the basic ability to finish some certain tasks for an autonomous underwater vehicle (AUV). However, for most of the AUVs, there are two important issues needed to be solved to achieve the bottom following control. One is the limit of the under-actuation of the depth control, and the other one is the influence of the residual buoyancy caused by the density of the ocean. So that, we need to find an effective solution to achieve the AUV’s bottom following control, and the solution should be able to resist the influence of unknown residual buoyancy from vertical movement effectively. Here, we use two sensors to measure the distance between AUV and the sea bottom, which builds the dynamic model of the area and offers AUV the feedforward information of bottom following control at the same time. Then, we design one depth and pitch coupling controller. It can overcome the disturbance of the residual buoyancy’s influence to the heaving motion and build the foundation of bottom following. Making full use of AUV’s forward bottom information form sensors and use the feedforward item in following controller can avoid the steady-state error and respond to rapid change in bottom effectively. Making the online identification of residual buoyancy can improve the control effect and increase the safety of the AUV. We even make a hardware-in-the-loop simulation to test the control method. The control method of this project can effectively improve the AUV’s ability.

地形跟踪是AUV在进行某些作业任务时必须具备的能力。针对提高AUV探测作业效率与精度的需求，以剩余浮力影响下的地形跟踪控制问题为背景，对非静稳定运动模型及非精确模型下的AUV垂直面运动控制关键问题进行研究，探索一条能够有效抵抗未知剩余浮力影响的AUV地形跟踪解决途径。采用双传感器对AUV到海底的距离信息进行测量，完成动态的海底剖面建模，为地形跟踪提供前馈信息；通过设计深度纵倾耦合控制器，实现AUV深度欠驱动控制，并且克服剩余浮力对升沉运动的干扰，为地形跟踪提供基础；充分利用探测得到的AUV前方地形信息，在跟踪控制器中直接引入前馈项，避免了稳态误差，并有效应对地形快速的变化；对剩余浮力进行在线辨识，一方面可改善控制效果，另一方面可提高AUV的安全性；最后通过半实物仿真对研究方法进行验证。本项目研究的方法可有效拓展AUV在实际海洋环境中的作业能力以及系统安全性。

地形跟踪是AUV在进行某些作业任务时必须具备的能力。针对提高AUV探测作业效率与精度的需求，以剩余浮力影响下的地形跟踪控制问题为背景，对非静稳定运动模型及非精确模型下的AUV垂直面运动控制关键问题进行研究，探索一条能够有效抵抗未知剩余浮力影响的AUV地形跟踪解决途径。.本项目从以下几个方面开展研究：.1）地形动态建模.随着AUV的航行，经过处理即可测得航线下方和AUV 前方的海底地形剖面，并且不断的进行更新，完成地形的动态建模，为地形跟踪提供信息支持。.2）欠驱动深度控制器设计.深度控制器设计不仅要解决欠驱动的问题，还要对剩余浮力的干扰予以解决，并且要求控制器鲁棒性要好，以便抵抗海水密度变化引起的载体浮力的变化。本项目采用虚拟控制的方法，将深度偏差与虚拟纵倾角进行耦合，仿真控制结果表明剩余浮力影响下AUV最小定深航行速度为1.6m/s，可接收的剩余浮力大于200N。.3）地形跟踪控制器设计.在深度控制基础上，合理利用获得的地形剖面信息，设计地形跟踪控制器，实现在浮力变化、地形多变等外界干扰环境下，AUV能够有效的跟随地形变化，为探测作业提供较好的平台运动状态。地形控制器设计中综合考虑了高度偏差反馈信息与地形坡角前馈信息，10°斜坡与正弦坡面仿真结果表明地形跟踪偏差小于0.1m。.4）剩余浮力在线辨识.在线辨识AUV 的剩余浮力不但能够定量的给出载体浮力变化情况，还有助于深度控制器参数的自适应调整。本项目采用递推最小二乘法，以载体运动模型为基础，研究AUV 剩余浮力在线辨识技术，得到剩余浮力实时估计，结果偏差小于0.1%。.水下无人航行器运动具有非线性、不同自由度运动存在耦合的特征，并且海洋环境对航行器干扰严重，因此研究地形跟踪控制方法不仅对于完善水下无人航行器控制系统、揭示控制规律具有积极意义；研究地形跟踪控制方法对于解决风、浪、流环境下的USV 控制、恶劣天气下UAV 地形跟踪飞行控制具有一定借鉴意义。另外，根据得到的海底地形信息，可进一步开展地形匹配导航定位研究。