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无人水下航行器(Unmanned Underwater Vehicle,UUV)是一种涉及自动化技术、计算机技术、水声技术等多学科,集成多种高新技术的小型水下载体,能够通过遥控或自主操作等方式执行水下任务。UUV在军事、科考及民用等领域都有着极高的应用价值,能够完成水下作战、侦察、海底资源开发、沉船打捞等各种任务。UUV的运动控制技术是其实现各项功能的基础,而垂直面的运动控制问题是UUV、潜艇等水下载体空间运动的特殊问题,具有很重要的研究价值。对于水下铺管、地形测绘等任务,UUV需要进行跟随地形的定高航行,即地形跟踪航行。水下地形复杂多变,当UUV进行地形跟踪航行时,一些陡峭或坡度变化剧烈的地形会对其构成威胁。而保证UUV的航行安全又是其执行任务的首要前提,因此对于UUV地形跟踪航行安全性的研究具有很重要的意义。本文提出一种UUV航行模式切换控制方法,在UUV执行地形跟踪航行任务的过程中,通过对其航行安全性的评估,在遇到危险地形时,适时地切换为定深度航行,直到UUV航行至安全地带后再重新进行地形跟踪航行执行任务,以保证其航行安全性。具体研究内容如下:首先,建立大地固定坐标系及UUV载体坐标系,构建坐标系之间的转换矩阵。在此基础上,建立UUV的6自由度运动学模型及动力学模型。随后根据课题需要,对UUV数学模型进行解耦及化简,得到UUV垂直面简化模型。其次,基于UUV垂直面简化模型,研究其深度控制问题,设计基于反馈增益反步法的UUV深度控制器,并对系统的鲁棒性进行分析。在MATLAB环境下,通过仿真试验检验控制器的控制效果。再次,对UUV的地形跟踪控制问题进行研究。对UUV地形跟踪控制研究中的重点及难点进行分析,对Serret-Frenet方程进行推导,并在此基础上给出UUV地形跟踪误差模型。利用UUV地形跟踪误差模型设计地形跟踪制导律及地形跟踪控制器,并在MATLAB环境下对其控制效果进行仿真验证。最后,分析地形跟踪航行过程中的UUV在不同情况下容易遇到的危险情况,利用模糊隶属函数对影响UUV航行安全性的各项因素进行定量描述。在此基础上,给出UUV航行安全性的评估过程,并利用航行安全性系数将其量化。结合UUV深度控制器及地形跟踪控制器,给出UUV航行模式切换控制器,在MATLAB环境下,针对不同地形及UUV的不同航行模式,对其控制效果进行仿真验证。