摘要
自治水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle，简称AUV)由于无电缆制约，活动范围广，且体积小，重量轻，在大范围海洋探测领域发挥着重要作用。随着海洋利用区域不断扩大，人类的探索不断向深海、远海延伸，因此对自治水下机器人的航行范围、航行深度和航行时间提出了更高的要求。对此，水下机器人的续航能力和航行安全面临着巨大的挑战。基于此，各国研究人员陆续提出自主水下对接回收系统，通过AUV与对接装置对接，实现充电、数据更新，用于解决AUV远距离、长航时、高深度作业时的能源供应与数据通信问题，提供AUV更大续航力和安全航行保障。本论文以水下对接需求为背景，针对对接回收关键技术，研究AUV的水下入坞导引与航行运动控制技术，即引导与控制欠驱动自治水下机器人，使其准确进入圆锥导筒式水下回收平台。 传统的长航程AUV，主要是进行水下大范围的巡航，对导航精度和航行精度要求并不是很高。本课题研究的AUV自主入坞技术要求其导航定位精确、路径跟随精准、目标点就位稳定，这对AUV的自治性和控制性能提出了更高的要求。若实现自主入坞技术，AUV需具备高精度位置测量系统和精确水下航行控制系统。因此，AUV的自主定位导航技术和航行控制技术成为了入坞成功的关键，也是本课题重点研究的技术问题。 在导航定位系统中，本课题采用超短基线(USBL，Ultrashort Baseline)水声定位系统。通过对定位基阵与应答器间的水声信号进行方位解算，并进行Kalman滤波处理，使AUV获取入坞目标点的精确位置，完成入坞路径规划和水声导引。根据水下回收过程中相对距离的远近，将入坞过程划分为两个阶段:第一阶段为远距离导引，采用纯定点跟踪制导方式;第二阶段为近距离精确控制，采用横向误差制导方式。 在航行控制上，通过对AUV进行运动学和动力学分析，得出不同运动形式的驱动力特性，从而完成动力系统改进和航行控制算法优化。这是本文的研究重点。针对自主入坞航行过程中AUV不同的运动状态，本文将航行控制性能划分为水平路径跟随精准、垂向定深/变深稳定和定点动力悬停，分别对其展开控制研究。主要是对控制算法进行改进与优化，以期实现精确的航行控制。通过在MATLAB/Simulink中搭建AUV运动模型，进行运动仿真与控制算法可行性验证。最后通过湖上试验，得出实际航行控制效果。 本课题采用的AUV平台为细长回转体外形，其长度为8.86m，直径为534mm，空气中重量2t。在回收平台上，拟选用圆锥导向式对接装置，其上搭载相应的定位、锁紧机构和电力接口，以便于准确对接，完成数据传输和能源补给。在后期课题验证中，在满足功用性的基础上，将对接装置简化处理，采用方形对接口形式。在完成导航定位系统设计和精确航行控制系统改进后，课题组在湖上进行了AUV的自主入坞试验，得出本论文提出的水声导引方法和航行控制技术可以很好的实现AUV的自主入坞回收。
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