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摘 要

水下无人航行器(UUV)的各种应用中，对其三维轨迹的跟踪控制能力是实现其近海石油调查、通信线路检查、军事应用以及深海探测打捞，在高压、深海、缺氧、能见度低的水下进行勘测、搜寻、打捞等作业的重要技术基础。但是，UUV具有欠驱动性、高耦合性和非线性性，加上外界干扰的存在，使得UUV的三维轨迹跟踪控制难以实现。为此，本文基于自适应控制提出一种改进自适应控制方法，用自适应算法替换滑模动力学控制器，以实现参数未知情况下的自适应跟踪，同时结合速度合成方法，实现海流情况下的鲁棒跟踪控制。通过无海流与有海流情况下的仿真实验，进一步验证了所提出的改进自适应控制方法能够实现各种常值海流下的跟踪控制。

关键词：水下无人航行器，三维轨迹跟踪控制，自适应算法，速度合成方法

Abstract：Underwater unmanned vehicle (UUV) in a variety of applications, for the three - dimensional trajectory tracking control is to achieve its offshore survey of detection, communication line check, military applications, as well as the deep sea fishing, high pressure, deep sea, hypoxia, poor visibility underwater survey, search, salvage operations such as important technology foundation. However, UUV usually has the characteristics of under-actuation, high coupling and non-linearity, and the existence of external interference also needs to meet the requirements of time and space, which makes the three-dimensional trajectory tracking control of UUV more difficult to achieve. Therefore, based on the idea of adaptive control, an improved adaptive control method is proposed in this paper. The sliding mode dynamic controller is replaced by an adaptive algorithm to realize adaptive tracking in the case of unknown parameters. At the same time, the robust tracking control in the case of ocean current is realized by combining the speed synthesis method. The simulation experiments without current and with current further verify that the improved adaptive control method can achieve tracking control under various constant currents.

Keywords：underwater unmanned vehicle,three-dimensional trajectory tracking control,adaptive algorithm,velocity synthesis method

目 录

1 概述 3

1.1 研究背景 3

1.2 国内外研究现状 4

1.3 本文主要内容 5

2轨迹跟踪控制算法设计 5

2.1 UUV的传统自适应控制 5

2.2 海流状况下基于自适应控制的UUV轨迹跟踪控制 8

3 仿真与分析 11

3.1 无海流状况跟踪 12

3.2 海流状况下跟踪 21

结论 32

参考文献 33

致谢 35

1 概述

• 1. 研究背景

地球的表面有着百分之七十以上面积的海水，因此，地球也被称为是“蓝色星球”。它不仅有丰富的水资源，同时还拥有巨大的矿产资源和生物资源。由于人类对地球的过度开发，陆地上的资源面对着随时都有可能枯竭的危险，为此，海洋资源的开发和利用对发展国民经济的促进发展以及建设国防安全中的作用正在逐渐被世界各国政府所重视^[1]。

我国拥有世界第四长的海岸线，可以说我们在对海洋资源的开发方面有着与生俱来的优势，但实际上我们现阶段仍面临着严重的问题和严峻的形势^[1]：我们周边国家正在盗采南海宝贵的资源，东海钓鱼岛事件更使得我国的领土主权受到严重损害。因此，我国目前必须要面对在进一步加强海洋资源的开发以及国防安全的建设中面临的问题和挑战。而在解决这些问题的过程中，水下无人航行器(Unmanned Underwater Vehicle，UUV)因为其各种突出的优点得到了飞快的发展。

UUV作为一种具有自主导航与决策能力的无人智能水下平台，能够代替人类近海石油调查、通信线路检查、军事应用以及深海探测打捞在高压、深海、缺氧、能见度低的水下进行勘测、搜寻、打捞等作业^[2]。在实际应用中，UUV具有机动性更高、成本更低、隐蔽性更好、活动领域更广等诸多优点。目前已实现海洋资源勘探、水下管道铺设、情报侦察、封锁与反封锁、近岸巡逻等功能，是能够帮助人类进行海洋资源开发和保卫领土主权的有效工具^[3]。

虽然UUV有着上述实际应用中的优点，但在其航行过程中存在诸多影响因素。大致上可以分为UUV自身因素的影响以及外部因素的影响，这些因素会对UUV的航向航线、续航以及位置计算产生很多或者不良的影响。自身因素最主要就是自身的设计原因，而外部因素就比较繁杂。如气候条件，风力风向甚至温度都可以对其产生影响；再比如海水的因素，如海水的流动方向，流动速度等。而在这些外部因素中，对UUV影响最大的是海流。

海流，又称洋流，是海水因热辐射、蒸发、降水、冷缩等而形成密度不同的水团，再加上风应力、地转偏向力、引潮力等作用而大规模相对稳定的流动，随各种外部因素的变化而变化，目前很难用数学表达式来表达。所以可以说，海流对UUV的影响是无法通过计算通过数学表达式准确预知的。因此，如何设计出切实可行的控制算法以实现在海流状况下对UUV的轨迹跟踪控制一直是各国的学者专家研究的重点。

• 1. 国内外研究现状

近些年来，国内学者就UUV的轨迹跟踪控制一直进行着大量的研究，在理论研究上取得了一定的进展。但多集中在水平面或垂直面上研究，在三维空间的跟踪控制研究上还是鲜有人问津。

2009年，毕凤阳^[4]等对海流干扰未知的情况下对模型参数没确定的UUV轨迹跟踪控制的研究中，根据滑模控制理论设计了鲁棒控制器和位置观测器，再利用级联系统证明了整个系统的稳定性；而针对参数确定的UUV模型，建立了空间状态运动误差方程，对于系统误差则利用级联理论将其分解为两个级联的子系统，最后利用Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统的稳定性^[5]。

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