AUV与潜艇交会对接安全性及跟踪控制研究

Submarine can improve its overall combat capability by carrying AUV, which has become a trend of submarine combat mode. Rendezvous and docking between AUV and submarines is one of the key technologies for submarine carrying AUV. Safety has always been an important factor in the rendezvous and docking process for consideration, especially in the condition of observation limited. Therefore, it is meaningful of considering safety to study tracking control method. The project starts from safety analysis of rendezvous and docking process. Based on collision-analysis, quantitative evaluation of rendezvous trajectories safety will be defined. Then, trajectory optimization will be studied where safety evaluation is considered. For the characteristic of uncertainty and communication - limited during rendezvous and docking, tracking control algorithm will be studied based on model predictive control method to fulfill the rendezvous and docking task. Semi-physical simulation system including communication features model of USBL will be construct, then simulation of rendezvous based on USBL guidance will be carried out. Supported by existed conditions, dynamic docking test based on light vision guidance will be conducted in tank. The results of this project will provide technology support for successful recovery of AUV by submarine in complex marine environment.

潜艇搭载AUV可提高其综合作战能力，已成为潜艇作战模式发展的一种趋势。AUV与潜艇之间的交会对接是实现潜艇搭载AUV的关键技术，而安全性一直是交会对接过程所需重点考虑的因素，尤其是在观测受限的水下环境中。因此，考虑安全性问题的跟踪控制方法研究具有重要意义。项目从分析AUV与潜艇交会对接过程中的安全性问题入手，基于碰撞分析方法建立交会轨迹安全性定量评价指标，研究考虑安全性指标的跟踪轨迹优化方法。针对水下交会对接过程AUV观测受限特点及环境不确定性，开发基于模型预测方法的AUV跟踪控制算法，实现AUV与潜艇的动态交会对接。基于USBL定位声呐通讯特性，建立可模拟AUV与潜艇动态交会的半实物仿真系统并开展仿真试验。利用已有试验条件开展基于光视觉导引的AUV水池动态对接试验。通过本项目的研究，为潜艇在复杂海洋环境下安全顺利回收AUV提供技术支撑。

AUV与潜艇交会对接是潜艇搭载AUV作战的基础。针对交会对接过程的自主性需求，以交会对接安全性为关注点，开展考虑障碍物及环境扰动影响的交会对接轨迹规划和跟踪控制问题研究，为潜艇顺利回收AUV提供技术支撑。.本项目从以下几个方面开展研究：.（1）交会对接安全性分析. 定性分析了AUV与潜艇对接过程中的安全性问题及其应对策略。基于广义Voronoi图定量分析了有障碍物时的返航段安全性；基于操纵性仿真分析了AUV返航段所受海流扰动；基于CFD方法分析了对接段母艇对AUV的水动力干扰。开展了坐落式对接半物理仿真，分析了坐落过程中AUV状态的变化。.（2）考虑安全性的交会对接轨迹规划. 通过将安全性定量评价指标引入Q学习中的奖赏函数来求解安全路径，为了解决地图较大时Q学习计算时间过长问题，将大地图分解成若干小区域，并将小区域的平均安全性加入到A*算法的代价函数中，求出一组区域序列，再用Q学习算法生成安全路径点。最后采用三次B样条插值获得光滑轨迹。.（3）考虑环境扰动的交会对接跟踪控制. 在交会寻的段，将级联反步法与模型预测控制理论相结合设计跟踪控制器，通过滚动优化过程提高了控制系统的鲁棒性。针对对接导引段，基于模糊推理方法设计了参数自适应跟踪控制器，通过对控制器的输入输出进行规整，避免了输入间的干扰及输出跃变，水池试验验证了方法有效性。.（4）基于USBL的水下对接导航定位. 提出了一种基于USBL定位和惯性导航的母艇运动状态估计方法，在此基础上开发了一种基于单步航位推算的组合导航方法，提高了对母艇的定位精度及定位数据更新率。. 海洋环境中存在海流扰动及海山等障碍物、AUV与潜艇靠近时存在双体干扰、AUV模型具有不确定性，这些因素会直接影响AUV与潜艇交会对接过程的安全性，因此开展考虑安全性的AUV与潜艇交会对接轨迹规划和跟踪控制研究具有现实意义。