UUV水下动态对接回收中的路径规划与路径跟踪控制研究

本项目针对潜艇利用回收装置通过动态对接方式回收UUV的导引控制问题，开展3维水下环境中的路径规划、路径跟踪控制问题研究，主要内容包括：（1）建立用于路径规划的水下环境和潜艇的空间模型，运用路径规划技术为UUV提供从当前位置到回收区域的长度最优、安全可行的路径，结合航行器的动力学约束(尤其是路径曲率的约束的情况下)，在立体空间内对所规划的路径进行平滑的平滑方法；（2）针对UUV的欠驱动特性，研究合理的、适用于欠驱动UUV路径跟踪的误差数学模型,结合欠驱动UUV的动力学、运动学数学模型特点，研究存在模型参数不确定性，以及海流干扰情况下的路径跟踪鲁棒控制方法；（3）开发无人水面船开展动态对接的实验研究。通过本项目的研究，为潜艇通过动态对接方式回收欠驱动UUV的工程应用打下坚实的技术基础。

UUV的水下自主回收是建设海洋观测网络急需解决的关键技术问题之一，本项目针对利用水下回收装置通过动态自主对接的方式回收UUV的控制技术问题，开展了USBL水声定位条件下的UUV回收导引与控制方法的理论和实验研究，主要研究成果包括：（1）分别给出了利用单信标和双信标情况下的UUV相对回收站的定位定向算法；（2）提出了基于直线跟踪的回坞控制算法，定义沿回收站中轴线的直线为期望回收路径，采用非线性横向跟踪控制技术，设计了欠驱动UUV的2维和3维直线跟踪控制算法，确保了跟踪误差的全局渐近稳定性；（3）提出了基于Dubins曲线的UUV回坞路径规划策略，在保证路径曲率半径大于UUV最小转弯半径的情况下获得最短路径，并在Serret-Frenet坐标系下采用非线性级联系统理论研究了曲线路径的跟踪控制算法，证明了路径跟踪误差的全局K指数稳定性；（4）提出了UUV多信标人工势场导引算法，采用模糊变系数矢量场法，依据UUV到回收中轴线的距离，通过模糊规则计算每个信标的引力系数，使得人工引力场的梯度方向指向回收入口，导引UUV沿光滑的入坞路径以期望的姿态进入回收入口；（5）借鉴机械手伺服控制技术，提出了UUV基于水声定位的伺服对接控制方法，直接以USBL水声定位系统测量描述对接控制误差，以UUV的广义速度为输入建立该误差的动态模型，采用非线性控制技术设计期望的广义速度，使对接误差全局渐近稳定；（6）开发了无人实验水面船，完成了回坞路径跟踪控制的验证实验。后续的研究计划包括基于仿生导航原理的人工地标向量回坞导引方法，并开发安装了USBL定位系统的ROV开展水下回收实验。