测绘技术自动化技术论文提纲

论文题目：UUV地形跟踪安全性评估及航行模式切换控制方法研究

摘要：无人水下航行器（Unmanned Underwater Vehicle,UUV）是一种涉及自动化技术、计算机技术、水声技术等多学科,集成多种高新技术的小型水下载体,能够通过遥控或自主操作等方式执行水下任务。UUV在军事、科考及民用等领域都有着极高的应用价值,能够完成水下作战、侦察、海底资源开发、沉船打捞等各种任务。UUV的运动控制技术是其实现各项功能的基础,而垂直面的运动控制问题是UUV、潜艇等水下载体空间运动的特殊问题,具有很重要的研究价值。对于水下铺管、地形测绘等任务,UUV需要进行跟随地形的定高航行,即地形跟踪航行。水下地形复杂多变,当UUV进行地形跟踪航行时,一些陡峭或坡度变化剧烈的地形会对其构成威胁。而保证UUV的航行安全又是其执行任务的首要前提,因此对于UUV地形跟踪航行安全性的研究具有很重要的意义。本文提出一种UUV航行模式切换控制方法,在UUV执行地形跟踪航行任务的过程中,通过对其航行安全性的评估,在遇到危险地形时,适时地切换为定深度航行,直到UUV航行至安全地带后再重新进行地形跟踪航行执行任务,以保证其航行安全性。具体研究内容如下:首先,建立大地固定坐标系及UUV载体坐标系,构建坐标系之间的转换矩阵。在此基础上,建立UUV的6自由度运动学模型及动力学模型。随后根据课题需要,对UUV数学模型进行解耦及化简,得到UUV垂直面简化模型。其次,基于UUV垂直面简化模型,研究其深度控制问题,设计基于反馈增益反步法的UUV深度控制器,并对系统的鲁棒性进行分析。在MATLAB环境下,通过仿真试验检验控制器的控制效果。再次,对UUV的地形跟踪控制问题进行研究。对UUV地形跟踪控制研究中的重点及难点进行分析,对Serret-Frenet方程进行推导,并在此基础上给出UUV地形跟踪误差模型。利用UUV地形跟踪误差模型设计地形跟踪制导律及地形跟踪控制器,并在MATLAB环境下对其控制效果进行仿真验证。最后,分析地形跟踪航行过程中的UUV在不同情况下容易遇到的危险情况,利用模糊隶属函数对影响UUV航行安全性的各项因素进行定量描述。在此基础上,给出UUV航行安全性的评估过程,并利用航行安全性系数将其量化。结合UUV深度控制器及地形跟踪控制器,给出UUV航行模式切换控制器,在MATLAB环境下,针对不同地形及UUV的不同航行模式,对其控制效果进行仿真验证。

关键词：UUV;深度控制;地形跟踪控制;反步法;滑模控制;航行模式切换

学科专业：控制科学与工程

摘要

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第1章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 UUV的国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 UUV运动控制技术发展现状

1.3.1 UUV控制方法发展现状

1.3.2 UUV深度控制发展现状

1.4 论文的主要内容及工作

第2章 UUV垂直面数学模型

2.1 引言

2.2 UUV运动学建模

2.2.1 坐标系的建立及参数定义

2.2.2 坐标系变换

2.2.3 UUV运动学模型

2.3 UUV动力学模型

2.3.1 流体中刚体的动力学参数

2.3.2 流体水动力参数

2.3.3 恢复力及力矩

2.4 UUV垂直面简化模型

2.5 UUV垂直面模型仿真验证

2.5.1 垂直面定常直航运动

2.5.2 垂直面上浮下潜运动

2.6 本章小结

第3章 UUV深度控制器设计

3.1 引言

3.2 控制器设计理论基础

3.2.1 反馈控制概述

3.2.2 反步法理论基础

3.3 UUV深度控制器设计

3.3.1 控制器设计

3.3.2 鲁棒性分析

3.4 深度控制仿真实验

3.5 本章小结

第4章 UUV地形跟踪控制器设计

4.1 引言

4.2 UUV地形跟踪问题描述

4.2.1 高度信息获取

4.2.2 Serret-Frenet方程理论基础

4.2.3 UUV地形跟踪误差模型

4.3 UUV地形跟踪控制器设计

4.3.1 UUV地形跟踪制导律设计

4.3.2 UUV地形跟踪控制器设计

4.4 地形跟踪控制仿真实验

4.5 本章小结

第5章 UUV航行安全性评估及航行模式切换控制

5.1 引言

5.2 UUV航行安全性评估

5.2.1 UUV航行安全性的意义

5.2.2 UUV航行安全性指标

5.2.3 UUV航行安全性评估过程

5.3 UUV航行模式切换控制器及其仿真

5.3.1 UUV航行模式切换控制器及仿真条件设定

5.3.2 UUV航行深度安全性仿真验证

5.3.3 航行速度安全性仿真验证

5.3.4 航行高度安全性仿真验证

5.4 本章小结

结论

参考文献

致谢