海流干扰下欠驱动智能水下机器人的三维轨迹跟踪方法研究

水下三维轨迹跟踪能力是智能水下机器人（AUV）执行区域搜索、海洋测绘等任务的重要保证。目前，多数海洋搜索、测绘用AUV采用了推进效率较高、成本较低、重量较小的欠驱动操控系统。针对其特有的载体动力学欠驱动、各自由度运动耦合、海流干扰严重的特点，研究欠驱动AUV的动力学特性，发展有效的欠驱动AUV水下三维时历轨迹跟踪理论与实验方法。采用级联系统理论和积分反演控制方法，分析欠驱动AUV的水下轨迹跟踪问题；建立深度偏差和纵倾偏差的模糊映射关系，解决垂直面的轨迹跟踪；考虑物理约束，提高推力分配效率；探讨海流对于轨迹跟踪的影响机理，开展抗扰动和环境自适应的轨迹跟踪方法研究。进行仿真、水池和海中试验。通过本项目的研究，为解决海流扰动下欠驱动AUV的三维轨迹跟踪奠定理论和技术基础。

在对水下目标的区域搜索过程中，欠驱动AUV依据导航信息，自主跟踪梳状三维轨迹。航行过程中，进行目标的探查和记录，完成搜索任务。海洋环境中，海流无处不再，而海流的干扰往往致使AUV偏离预定轨迹，或造成控制器震荡，导致轨迹的跟踪失败，最终不能完成区域的全覆盖。.对欠驱动AUV在海流干扰下的航迹跟踪问题所设计的科学问题进行研究。首先，分析了欠驱动AUV的运动控制特性，指出其动力学的本质非线性以及空间6自由度欠驱动特性，，进行了非完整约束以及物理约束特性下欠驱动AUV运动系统的可控性分析；.其次，提出欠驱动AUV的轨迹跟踪控制方法，进行动力学的位置—航向—纵倾级联系统建模，实现级联系统的镇定控制器设计，并且对控制算法的收敛性和稳定性进行分析，提出了桨—舵—翼复合推进的欠驱动AUV高效推力分配方法；.再次，指出海流对跟踪控制的影响机理，在对海流干扰进行数理统计的基础上设计了海流观测器，并提出了针对海流监测数据的在线高效滤波方法，完成了针对海流的主动控制器设计；.最后，进行了仿真实验，并基于实验室的欠驱动AUV载体设计了轨迹跟踪的嵌入式控制系统，进行了湖中和海上试验，验证在不同水文环境下AUV跟踪控制的鲁棒性。.试验表明所设计的轨迹跟踪控制器能使AUV有效地跟踪梳状三维轨迹：时间上能够完成对变化的目标速度的跟踪，空间上能够分别在垂直面完成指定目标深度的跟踪以及在水平面完成对目标航线的跟踪。跟踪误差能够保证AUV对区域的全覆盖。.湖中水流较小且稳定的情况下，AUV能够保证对速度和深度的跟踪，水平面梳状航迹的跟踪偏差≤1.0m，并且在目标航线发生变化时仍然能够快速、准确、稳定的完成新航线的跟踪；海上水流较大且不稳定，在相同的轨迹跟踪控制参数下，AUV仍然能够实现对速度和深度的无偏跟踪，水平面梳状航迹的跟踪误差≤2.0m，长时间的水下梳状航迹跟踪仍然是一个稳定和准确的过程。多次的轨迹跟踪控制实验表明AUV能够实现对海流的准确估计，并且海流干扰的主动控制方法能够有效的使得AUV消除与轨迹之间的偏差。将所设计的三维轨迹跟踪控制方法应用于欠驱动AUV，能够有效地提高任务执行效率，在存在复杂海流的海洋环境中依然能够进行轨迹的精确和稳定跟踪，能够有助于AUV对区域的全覆盖搜索，这对于AUV的自主探测任务具有重要意义。