非线性因素约束下欠驱动uuv轨迹跟踪控制方法研究

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1、分类号：密级：UDC：编号：工学博士学位论文非线性因素约束下欠驱动UUV轨迹跟踪控制方法研究博士研究生：于浩淼指导教师：严浙平教授学科、专业：控制理论与控制工程万方数据哈尔滨工程大学2016年11月万方数据万方数据分类号：密级：UDC：编号：工学博士学位论文非线性因素约束下欠驱动UUV轨迹跟踪控制方法研究博士研究生：于浩淼指导教师：严浙平教授学位级别：工学博士学科、专业：控制理论与控制工程所在单位：自动化学院论文提交日期：2016年11月论文答辩日期：2016年11月学位授予单位：哈尔滨工程大学万方数据万方数据万方数据Cl

2、assifiedIndex：U.D.C：ADissertationfortheDegreeofD.EngResearchonTrajectoryTrackingControlforUnderactuatedUUVwithNonlinearConstrainedFactorsCandidate：YuHaomiaoSupervisor：Prof.YanZhepingAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpecialty：ControlTheoryandControlEngin

3、eeringDateofSubmission：November,2016DateofOralExamination：November,2016University：HarbinEngineeringUniversity万方数据万方数据哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在

4、文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者（签字）：日期：年月日哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密

5、学位论文待解密后适用本声明。本论文（□在授予学位后即可□在授予学位12个月后□解密后）由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。作者（签字）：导师（签字）：日期：年月日年月日万方数据万方数据非线性因素约束下欠驱动UUV轨迹跟踪控制方法研究摘要随着海洋开发的逐步深入，以及水下无人航行器（UnmannedUnderseaVehicle，UUV）技术的日臻成熟，欠驱动UUV已经成为海洋资源勘探、海洋科学研究、海上军事行动中不可或缺的重要装备之一。UUV的运动控制技术则是其完成各种使命任务的先决条件。相较于其他运动形式而言，U

6、UV轨迹跟踪属于高机动性运动问题，其研究还处于理论探索阶段。因此，本文选择极其具有挑战性的欠驱动UUV轨迹跟踪控制问题作为研究的核心。通过深入分析国内外海洋运载器（包括水面船、USV、AUV/UUV、ROV等）轨迹跟踪控制的已有研究成果，可以总结出欠驱动UUV轨迹跟踪控制所面临的挑战以及影响控制性能的各种非线性因素。进而，利用生物启发滤波反步法、非线性积分滑模控制、注入等效输出的非线性滑模观测器、抗饱和补偿算法等非线性控制理论，研究非线性因素约束下欠驱动UUV轨迹跟踪控制问题。本文拟开展如下研究工作：首先，基于刚体运动学、

7、刚体动力学以及操纵性理论，阐述了欠驱动UUV标准运动方程的建立过程。进而，考虑本课题研究对象自身特点，对欠驱动UUV标准运动方程进行相应简化，可以得到本课题研究对象的运动模型。然后，通过分析各种内外扰动量对UUV运动的影响，建立各种非线性因素约束的表达模型。最后，利用刚体动力学和微分几何知识，分析欠驱动UUV的二阶非完整性、小时间局域能控性等动力学特性。其次，针对恒定未知海流扰动约束下欠驱动UUV轨迹跟踪控制问题，基于生物启发滤波反步法和海流观测器，设计三维轨迹跟踪控制器。通过引入正交坐标变换，将轨迹跟踪位置误差从固定坐标

8、系变换到运动坐标系。然后，分别基于传统反步法和生物启发滤波反步法，设计两种三维轨迹跟踪控制器。接下来，考虑实际作业中的UUV所受到的海流很难被精确测量，因此需要设计海流观测器，用以估计海流扰动的速度；进而，将其引入到轨迹跟踪控制器中，用以补偿海流扰动对UUV轨迹跟踪运动的影响。最后，基于Lyapunov