声引导UUV对水下移动平台的自主追踪与对接方法研究

Underwater autonomous docking between Unmanned underwater vehicle (UUV) and mobile platform achieves underwater energy supplement and information exchange, can greatly improve UUV’s operation efficiency. Underwater autonomous docking technology is an important research frontier and key technology of UUV. This project focuses on the future development needs of UUV, aims at the specific task of the autonomous interfacing between UUV and underwater mobile platform, carries out study of underwater acoustic data processing and moving platform trajectory prediction under weak observation, three-dimensional trajectory of underwater interfacing platform tracked by UUV in the approaching stage , UUV and interfacing platform’s position and attitude synchronization control in complex flow field in the precise docking stage, etc. The project mainly solves the key problems: error correction of acoustic positioning information, effective maneuvers during tracking process in approaching stage and position and attitude coordination optimization in the precise interfacing stage. It establishes theoretical error models of UUV guidance information under the influence of comprehensive factors, and proposes UUV fast and effective maneuvering method under multi-constraint condition. Finally, the theory and method of verification are verified by semi-physical simulation. The research of this project can provide effective theoretical basis and technical support for UUV underwater docking in the future, and provide technical reserve and experience accumulation for the deep sea space station.

无人水下航行器 (UUV)与移动平台自主对接实现水下能源补充与信息交换，可以极大地提高UUV的作业效率，是UUV技术发展的重要方向之一。本项目针对引导信息误差、轨迹追踪、姿态同步等对精准对接的影响，深入开展弱观测条件下水声定位数据处理和移动平台轨迹预报、趋近阶段UUV对水下移动对接平台的三维轨迹追踪和精确对接阶段复杂流场下UUV与对接平台的位姿同步控制等理论方法研究，着重解决水声定位信息的误差综合修正、趋近阶段追踪过程中的有效机动和精确对接阶段的位姿协调优化等关键问题，建立综合因素影响下UUV引导信息的理论误差模型，提出多约束条件下的UUV快速有效机动方法，最后通过半实物仿真验证所研究的理论和方法。本项目的研究可为未来UUV水下自主对接提供有效的理论基础与技术支撑，为“十三五”百大重点工程项目 “深海空间站”提供技术储备与经验积累。

无人水下航行器 (UUV)与移动平台自主对接实现水下能源补充与信息交换，可以极大地提高UUV的作业效率，是UUV技术发展的重要方向之一。本项目以舵桨联合操控的小型UUV为研究对象，考虑到引导信息误差、轨迹追踪、姿态同步等对精准对接的影响，开展了相关研究。.开展了包括移动平台在内的各因素对USBL定位精度影响的理论分析，建立USBL系统定位的误差模型，构建了用于小型UUV水下自主对接的声引导仿真系统；考虑到水声信息存在的大时延和时间间隔不均匀及UUV姿态实时变化的问题，提出了改进的Sage-Husg自适应Kalman滤波方法，完成了水声定位信息的综合修正；针对水下移动平台状态估计问题，研究了交互式多模型目标状态估计方法，提出了基于交互式多模型扩展卡尔曼滤波和基于自适应交互式多模型扩展卡尔曼滤波的水下移动平台状态估计算法，对水下移动平台的运动状态进行估计；重点分析UUV根据声学信号趋近对接平台的物理过程，考虑了UUV姿态、速度、位置、传感器及能源等多方约束，提出了一种基于视线法的AUV目标追踪策略，保证追踪过程中航线的稳定；考虑到UUV的强耦合非线性特性，深入开展舵桨对UUV姿态的耦合影响分析，研究舵桨动态配合与控制方法，优化操舵速率及舵角差值，保证空间追踪过程中的姿态稳定；采用非线性鲁棒自适应控制理论，研究在舵翼操作受限情况下的艏向和深度控制算法，提高鲁棒性，保证艏向和深度的控制效果。.通过以上研究工作，项目突破了小型UUV与水下移动平台自主追踪与对接的关键技术，最终实现UUV水下自主对接，为提高对接的成功率提供理论基础和技术支撑。