近壁面干扰下水下无人航行器精确对线控位方法研究

The Unmanned Underwater Vehicle (UUV) recovery based on submerged moving mother ship does not need accessorial equipments that are external crane, repeaters or machine arm, which is significant to long-range underwater sailing and task of UUV. Aimed to UUV submerged recovery proplem of moving mothership back carrying, near wall constraint mechanism, dynamic modeling, positioning to line will be researched to improve the control precision, security and reliability of UUV submerged recovery. On the basis of hydrodynamic theory and three dimension space model, near wall constraint theory prediction method and relevant numerical value result will be given, then the interaction mechanism will be analyzed and the UUV six degree of freedom (DOF) dynamic model with the near wall constraint will be built. UUV positioning to line method of robust constrained model predictive control will be adopted for the UUV submerged precise docking control problem. The submerged recovery will be achieved by building predictive model, coming out different constraint denotation during UUV recovery and positioning to line. The control method will be tested in numerical simulation, hardware in loop simulation and pool trial, which can be developed to the theory and technology of "hidden, weatherproof, accurate"submerged recovery for UUV.

基于水下运动母船的UUV回收，不依靠外部吊车，中继器或机械臂等辅助设备，对UUV 长期水下潜航和作业具有积极意义。针对运动母船背驮搭载UUV水下回收问题，开展近壁面干扰机理、运动建模、对线控位等理论研究，提高UUV水下回收的控制精度、安全性和可靠性。基于流体动力学理论和三维空间模型，给出近壁面干扰理论预报方法和相应数值计算结果，分析干扰机理并建立近壁面干扰下UUV六自由度运动模型；针对基于运动母船的UUV水下精确对接控制问题，提出基于鲁棒约束模型预测控制的UUV对线控位方法，通过建立预测模型、给出UUV回收过程中不同约束表示，利用对线控位技术实现水下回收；开展基于运动母船的UUV水下回收数值仿真、半实物仿真和水池实验研究，为解决UUV"隐蔽、全天候、高精度"回收控制奠定理论和技术基础。

相比于水面回收，水下回收具有隐蔽性、安全性等优点，因此，水下回收技术一直是国内外的研究热点。本课题基于运动母船的背驮式搭载UUV水下回收控制技术，使得UUV能够更加隐蔽、安全、可靠的实现水下回收。本课题基于鲁棒约束模型预测控制，开展近壁面干扰下水下无人航行器对线控位方法研究。.首先，对近壁面干扰下水下无人航行器的数学模型进行建立。在采用运动母船背驮搭载自主回收方式中，UUV与母船一直处于近距离相对运动的情况，UUV所处的水动力环境将由一个无限宽广水域变化为一个有界水域，在回收过程中的水动力干扰作用主要体现在UUV上。在此过程中，对水动力进行数值模拟计算，并对结果进行分析，充分考虑海流影响，建立近壁面干扰下的UUV数学模型。.水下无人航行器靠近母船后，采用基于鲁棒约束模型预测控制的对线控位方法对UUV进行回收。在此过程中，采用模型预测控制理论建立UUV的预测模型，设计对线控位回收控制器，对回收过程中的视线约束、控制约束、干扰约束和安全性约束进行线性表示，然后采用滚动优化方法对目标函数进行滚动优化计算，使得UUV完成回收。针对UUV对线控位方法分别进行母船悬停和母船运动下的计算机仿真，并取得良好的结果，证明了控制器的有效性。.水下无人航行器在与母船近距离情况下，采用非线性模型预测控制使得UUV对母船进行轨迹跟踪。在此过程中，首先建立水下无人航行器的水平面预测模型，假设整个过程中水下无人航行器与母船在垂直面上保持平稳，只考虑水平面运动。然后采用非线性模型预测控制方法对控制器进行设计，并对该控制器进行稳定性证明。最后针对水下无人航行器对运动母船的轨迹跟踪控制进行仿真，并取得良好效果，证明了控制器的有效性。.针对UUV对线控位回收方法进行了半实物仿真，并对数据进行分析，取得良好效果。对实际UUV的短基线导引定位系统以及视觉导引定位系统进行设计，然后进行真实水池实验，对实验数据进行分析，取得良好的效果。