摘要
海洋资源的探测和保护在当今世界形势下变得日益重要，水下无人航行器(Unmanned Underwater Vehicle,UUV)具有成本低、体积小、重量轻、灵活性强、可靠度高等多方面优势，是海洋环境作业的重要工具，保证UUV在水下稳定运行以及联合作业的稳定性成为了研究重点。论文旨在搭建欠驱动UUV运动控制可视化仿真系统，排除UUV水下试验存在的风险，提供可重复的试验环境，提高UUV技术开发的效率，对所设计的轨迹跟踪控制器和编队控制器进行验证。 首先，建立空间坐标系描述欠驱动UUV的运动，并且利用几何法和牛顿-欧拉方程建立欠驱动UUV的五自由度运动学模型和动力学模型，针对常值海流扰动，考虑海流速度对UUV运动的影响，将其引入欠驱动UUV的运动模型中，建立海流扰动下的欠驱动UUV运动模型。 其次，为提高欠驱动UUV在海流扰动下轨迹跟踪的鲁棒性，设计海流观测器对定常海流速度进行估计，基于反步法建立轨迹跟踪控制器，在系统的反推过程中引入一阶低通滤波器解决反步法的微分爆炸问题和消除高频信号，利用李雅普诺夫稳定性理论证明了所设计轨迹跟踪控制器一致最终有界，通过仿真验证了所设计控制器能够降低海流扰动的影响使UUV能够稳定地沿着轨迹运动。 然后，考虑到水声通信网络在水下存在时间延迟，跟随者UUV接收到的领航者UUV的状态信息具有滞后性，从而影响整个编队的运动，设计双闭环积分滑模控制器提高整个编队的鲁棒性，针对水声通信延迟，利用扩展卡尔曼滤波算法对领导者UUV的状态信息进行预测，降低水声通信延迟对编队控制带来的影响，证明了编队控制器的稳定性,通过仿真验证了所设计编队控制器能够降低水声通信延迟对编队运动的影响。 最后，为降低欠驱动UUV水下试验的风险，提供可重复的试验环境，利用Unity软件设计欠驱动UUV运动控制可视化仿真系统，利用虚拟现实技术搭建三维水下环境，使用Unity的脚本实现轨迹跟踪控制器和编队控制器的编写，对所设计的可视化仿真系统进行测试，验证所设计轨迹跟踪控制器和编队控制器对欠驱动UUV控制的稳定性。
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