未知環(huán)境UUV多元聲測距與同步巡岸控制方法.pdf

1、UUV水下定位與控制是其進(jìn)行未知環(huán)境探測的兩個主要問題,本文主要針對其控制問題開展相關(guān)研究,而巡岸控制問題是面向環(huán)境輪廓構(gòu)建任務(wù)的關(guān)鍵所在。UUV領(lǐng)域中通常采用多元測距聲納作為巡岸控制的信息采集手段,所獲取數(shù)據(jù)的置信度較低。且UUV作業(yè)時“人不在環(huán)”,對環(huán)境的認(rèn)知及理解要求更準(zhǔn)確,尤其在未知環(huán)境中需要感知與巡岸控制同步進(jìn)行,探測能力與控制要求之間存在一定矛盾。因此,需要結(jié)合測距聲納與UUV自身特性開展聲納數(shù)據(jù)的預(yù)處理、基于預(yù)處理數(shù)據(jù)的未

2、知環(huán)境輪廓構(gòu)建、局部環(huán)境特征約束下的巡岸路徑平滑與決策、以及巡岸控制等問題研究,論文主要研究內(nèi)容簡述如下:
　　一、針對多元測距聲納在復(fù)雜水下環(huán)境中獲取數(shù)據(jù)的置信度較低,而無法滿足UUV巡岸控制過程中對理想路徑的實時需求問題,采用小波變換方法對聲納數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。由于數(shù)據(jù)集合中異常數(shù)據(jù)相對于正常數(shù)據(jù)來說表現(xiàn)出高頻特性,因此考慮利用小波變換對高頻數(shù)據(jù)進(jìn)行局部放大,以便于準(zhǔn)確剔除異常數(shù)據(jù)。由于預(yù)處理數(shù)據(jù)用于構(gòu)建環(huán)境輪廓線,而輪廓線作為

3、UUV巡岸控制理想路徑的參考信息,必須保證理想路徑的連續(xù)性;因此對異常點(diǎn)出現(xiàn)時刻的小波系數(shù)進(jìn)行估計,用于補(bǔ)充異常數(shù)據(jù)所表征的特征點(diǎn)。
　　二、為了利用預(yù)處理后的數(shù)據(jù)集合作為數(shù)據(jù)源完成未知環(huán)境輪廓構(gòu)建任務(wù),需要將表征環(huán)境輪廓的數(shù)據(jù)聚集到某一數(shù)據(jù)類輪廓內(nèi),同時,將異常數(shù)據(jù)劃歸于輪廓線外。由于支持向量聚類算法能夠在剔除異常點(diǎn)的同時完成數(shù)據(jù)類的聚合,且滿足巡岸過程的實時性要求,符合輪廓線構(gòu)建的前提條件并能夠達(dá)到獲取類輪廓的目的,由此引入該

4、方法完成輪廓線構(gòu)建過程。另外,為了對初次判定為異常數(shù)據(jù)的點(diǎn)進(jìn)行確認(rèn),提出惰性算法改進(jìn)支持向量聚類方法,結(jié)合數(shù)據(jù)的置信度和多普勒速度儀的信息,實現(xiàn)基于多元測距聲納數(shù)據(jù)的環(huán)境輪廓構(gòu)建任務(wù)。
　　三、根據(jù)UUV自身特性及控制器設(shè)計需求,構(gòu)建UUV巡岸過程中的平滑理想路徑,并結(jié)合環(huán)境的局部特征進(jìn)行自主決策。一方面,為了滿足UUV在水下環(huán)境中的慣性特點(diǎn)對理想路徑平滑性的限制,利用Bézier曲線對支持向量聚類惰性算法所構(gòu)建的、直線順次相連的

5、輪廓線進(jìn)行平滑擬合。另一方面,面向未知環(huán)境的自主探測任務(wù),UUV必須在構(gòu)建輪廓線的同時完成巡岸跟蹤,因此結(jié)合UUV自身狀態(tài)進(jìn)行局部環(huán)境約束下的自主決策方法研究。
　　四、考慮到未知環(huán)境探測過程中的UUV巡岸控制問題,采用反饋線性化控制方法予以實現(xiàn)。依據(jù)UUV所面向的任務(wù)需求,將探測過程中的路徑跟蹤劃分為兩個階段:對已知路徑的精確路徑跟蹤和對未知路徑的預(yù)測巡岸控制。反饋線性化方法在跟蹤問題中的應(yīng)用可劃分為微分幾何反饋線性化方法和穩(wěn)定

6、逆算法,恰好符合探測過程中兩個跟蹤過程的條件,因此,在兩個跟蹤階段分別采用反饋線性化的兩種方法予以實現(xiàn)。在精確跟蹤過程中,利用滾動路徑發(fā)生器導(dǎo)引以任意狀態(tài)(包括航向和位置)布放的UUV平滑地駛?cè)腩A(yù)設(shè)路徑,并采用微分幾何反饋線性化實現(xiàn)精確跟蹤控制。在預(yù)測巡岸控制過程中,UUV將構(gòu)建的環(huán)境輪廓作為跟蹤的參考路徑,利用穩(wěn)定逆方法通過求解內(nèi)動態(tài)的有界解得到穩(wěn)定的逆輸入,實現(xiàn)預(yù)測巡岸控制。為了進(jìn)一步提高巡岸控制的實時性,利用有限時間窗內(nèi)的理想路徑