海浪环境下水下自航器状态估计器的研究开题报告

1. 目的及意义

1.1研究目的

全球经济飞速发展至今人口已达76亿，随着人口的增加，人类对自然资源的需求与消耗也越来越多，陆地资源日渐枯竭，人们为求生存对海洋资源探索的欲望也越来越强烈。各类海洋探测项目也一直被研究与进行着，水下自航器作为一种先进的探索被不断应用到该领域，得到了快速的发展以及高度的重视。水下自航器是水下无人航行器的一种，能潜入水中代替人完成某些操作，也被称为潜水机器人或者水下机器人，其应用是由原来的军事领域向民用领域普及。

水下机器人已广泛应用于包括海洋工程、港口建设、海洋石油、海事执法取证、科学研究和海军防务等诸多领域，用以完成水下搜救、探测打捞、深海资源调查、海底线管敷设与检查维修、水下考古、电站及水坝大坝检测等各项工作。目前市场对水下机器人的需求分观察探测型和作业型两种。观察型配备有水下电视和照相设备，针对水下特定目标进行定期观察和检查;作业型可针对不同的要求，还配备前视声呐、侧扫声呐、海底绘图、海底剖面等设备和各种机械手等，进行简单的水下作业。据调查，2018年全球水下自主潜航器市场规模同比增长11%，产量达到149台。预计在未来五年复合增长率达到19%。国内水下机器人对于智能水下机器人的研究相对较晚，但是发展迅速，近年来，陆续有公司推出小型机型并投入使用。例如：天津深之蓝等。2018年中国市场大约有16台销量。目前国内的水下机器人(主要是AUV、UUV)还处于研制试验阶段，很多关键技术还没有突破，离实际使用尚有一段距离。因此要抓住时机，开拓创新，争取在水下机器人这一领域拥有更多的自主技术。

然而水下机器人在近水面执行任务时，海浪的干扰会影响到水下机器人动态控位的控制精度，而动态控位控制精度的高低决定了水下机器人运行效果的好坏。水下机器人在水平面内的动态控位的控制精度、垂直面内纵倾姿态的稳定控制，都会影响到水下机器人在近水面运行或执行任务时的质量。据水下自航器控制系统的需求，有必要设计一种优良的状态估计器以估算水下自航器高频、低频运动状态，为实现水下自航器定深航行自动控制系统的设计奠定基础。

1.2研究的意义

欠驱动水下自航器的研究一直都是水下自航器研发的热点问题。其驱动器个数少于系统的自由度，与全驱动水下自航器相比减少了一些驱动器、传感器等附加装置，优点是简化了水下自航器的结构，降低了水下作业的成本。许多现有的方法并没有明确的给出状态观测器的存在条件，同时还不能很好的处理不确定系统中的未知干扰。状态估计的时间延迟与不准确性都会给闭环系统的性能和稳定性造成不利影响。因此，状态估计的速度和精确性成为了衡量状态观测器性能水平的重要指标。海浪环境水下自航器状态估计器的研究对提升水下机器人的自动控制性能具有重要的意义。

1.3国内外研究现状

1.3.1欠驱动水下自航器控制问题研究国内外现状

李家旺等研究了水平面内AUV的轨迹跟踪问题。AUV电主推进器和个内部转子驱动，可视为欠驱动系统，建立了带有外界干扰的系统数学模型。为了对侧向运动和馈航运动进行解耦，采用了一种坐标转换，基于Lyapunov直接法，针对转换后的模型设计了一种跟踪控制律以使得位管跟踪误差收敛于零点左右的一个球域内。考虑到电机控制系统中的干扰和误差，对转子电机进行了控制设计以实现系统跟踪误羞的全局镇定。仿真结果表明该控制律对建模误差具有一定的鲁棒性，能够使AUV的跟踪误差全局最终有界。付江峰等研究了欠驱动AUV的水平面直线航迹跟踪控制问题，针对传统方法所设计的直线航迹跟踪控制力矩较为复杂的问题，提出了基于级联系统理论控制力矩设计方法;通过构造李雅普诺夫函数，推导出了具有全局渐近稳定的控制力矩，通过数值仿真验证了所提出的方法的有效性。Pepoulias和Papadopoulos基于欠驱动AUV水平面运动的标称运动学和动力学方程，使用其动力学方程来计算参考偏航角速度和体坐标系下的参考速度，提出了一种新的欠驱动AUV水平面轨迹规划方法，然后基于李雅普诺夫稳定理论，使用Backstepping 方法设计了一个轨迹跟踪(Trajectory Tracking )控制器，该控制器能使跟踪误差收敛到零附近一个可以任意缩小的区域，通过数值仿真验证了该控制器的有效性和对参数不确定性的鲁棒性出。两位学者还基于欠驱动AUV空间运动的标称运动学和动力学方程，给出了一种三维参考轨迹规划方法，并且设计了一个开环控制器。Santhakumar和Asokan也基于李雅普诺夫稳定理论，使用Backstepping方法设计一个水平面跟踪控制器，考虑了恒定的外界干扰，通过数值仿真验证了该控制器的有效性。LiJiawang等为了解决欠驱动AUV垂直面轨迹跟踪问题，基于李雅普诺夫稳定理论，使用Backstepping 方法设计了一个轨迹跟踪控制器;考虑到传统执行器在非常低的速度时将失效，选择变质心控制系统( Moving Mass Control System,MSCS )作为一个替换的控制输入，通过数值仿真验证了该控制器的有效性和参数鲁棒性。Aguiar和Hespanthal研究了欠驱动自治系统的轨迹跟踪和路径跟随(Path Following)问题，设计了一个自适应监控（Adaptive Supervisory Control )策略，并基于李雅普诺夫稳定性理论设计了一个跟踪控制策略，论述了怎样将两个控制策略结合以使位置距踪误差收敛到一个可以任意减小的区域，说明了怎样将这些研究成果应用于解决路径跟随问题，通过对一个气垫船和一个欠驱动AUV的仿真结果验证了所设计以控制策略的有效性，并进行了相关讨论^[7]。

1.3.2船舶运动建模研究国内外现状

船舶运动建模的相关研究始于造船学的需要，1749年Euler利用微积分方法将阿基米德定律获得的压力沿船体表面积分，在此基础上建立了船舶级摇和横摇恢复力矩方程，此经典船舶运动方程的提出标志了船触操纵性理论研究的开端。1964 年Abkowitz采用将流体作用力在前送速度工作点处进行泰勒级数展开的方式对作用在船体上的力进行解释，提出了描述纵荡，横荡，脂摇三个自主度运动的线性和非线性方程，标志者针对多自由度间操纵性问题非线性分析的正始。她个世纪70年代末，日本拖曳水池委员会提出称为分离型模型(Ship Manoeuvering Mathmatical Model Group, MMG)的船舶运动数学模型，其特点在于按物理意文将作用在舰体上的流体动力和力矩建模为独立作用动数学模型，其特点在于按物理意文将作用在舰体上的流体动力和力矩建模为独立作用更为准确完整的船舶操纵性模型，针对船舶操纵性中流体力学的研究学者们分别提出了基于泰勒级数展开的水动力导数模型，基于短翼理论和横流阻力理论的横流模型和基于能量观点的运动模型。1994年Fossen提出的矢量化船舶运动建模方法对海洋航行器仿真和控制等领域的发展产生了深远影响，为衔接众多船舶操纵性领域的研究成果提供了一个桥梁。耐波性理论的开端同样可以追溯到1737年Euler的早期研究，早期研究受制于当时的技术水平，同期的研究主要针对静水和规则波中的船舶运动性能。船舶耐波性是指船舶在波浪扰动下，产生各种摇荡运动、砰击、甲板上浪、失速、螺旋桨出水以及波浪弯矩等，仍能维持一定航速在波浪中安全航行的性能。1949 年Ursell提出预报自由表面中围绕震荡圆柱体运动的水流特性相关理论，传统的转换技术使其适用于众多类型的船体横截面形状，标志着现代船舶理论基础的形成。1953年St.Denis和Pierson提出了利用谱分析技术研究水池中规则波下船模运动与实际船舶在海洋中随机运动间关系的方法。为了结合操纵性建模和耐波性建模两者的优点，1962年Cummins给出了相关早期研究的发展论述，其将船舶速度的卷积项引入船舶运动方程; 1964 年Ogilvie将Cummins的成果与经典方程相融合，使其能够运用常规流体力学计算软件的运算结果。在前人研究的基础上Fossen于2005年提出了一种操纵性和耐波性统建模方法，目的是在时域下对波浪中船舶的运动进行建模^[8]。

1. 设计任务、重点研究内容、技术方案及进度安排

2.1设计任务

1. 掌握欠驱动水下自航器的基本概念及发展动态，研究欠驱动水下自航器在近水面运行过程中的特点；

2. 建立欠驱动水下自航器三自由度高低频运动叠加模型；

3. 设计状态观测器以估算出水下自航器高频、低频运动状态；

4. 利用Matlab进行模型仿真验证及状态估计器的实现，为实现水下自航器定深航行自动控制系统的设计奠定基础。

2.2设计需要重点解决的问题与技术方案

2.2.1重点解决的问题：

(1) 建立欠驱动水下自航器三自由度运动数学模型；

(2) 设计状态观测器以估算出水下自航器高频、低频运动状态；

(3) 利用Matlab进行模型仿真验证及状态估计器，并验证方法可行性。

2.2.2技术方案

(1) 通过查阅国内外关于欠驱动水下自航器在近水面运行方面的研究资料，分析其在近水面运行的特点及环境对自航器的影响，并建立欠驱动水下自航器在近水面环境下的三自由度高低频运动叠加模型；

(2) 通过查阅国内外关于资料，了解海浪环境对欠驱动水下自航器近水面作业的干扰情况，在MATLAB环境下进行欠驱动水下自航器近水面运动的仿真，并根据水下自航器近水面运动轨迹的实测数据，验证运动数学模型的准确性；

(3) 了解状态估计器的概念、发展动态及设计方法，根据水下自航器控制系统的需求，设计状态观测器以估算水下自航器高频、低频运动状态。