复杂环境下自主式水下航行器动力定位技术研究

论文摘要

随着自主式水下航行器的发展和广泛应用，对其机动性和操纵性的要求也越来越高，在自主式水下航行器执行任务的过程中，不但要求其在环境扰动作用下按照预定的轨迹运动，而且在许多情况下需要利用自主式水下航行器对目标物进行更细致的观察，这就需要自主式水下航行器相对于目标物的位置保持不变，即要求自主式水下航行器具有能够抵抗环境扰动的动力定位能力。自主式水下航行器的动力定位是一个复杂的过程，首先由于自身大小和负载能力的限制，自主式水下航行器能够携带的测量设备的种类和数量较少，因此获得的位置和环境扰动信息类型和数量较少；其次，由于自主式水下航行器本身的体积小、质量轻，自身的惯性较小，对环境扰动的响应更为灵敏，自主式水下航行器无法靠自身的惯性抑制对高频环境扰动的响应。另外，自主式水下航行器的动力定位需要控制更多的自由度。本文在自主式水下航行器的动力学建模研究、环境扰动建模和预测研究、复杂环境下的自主式水下航行器操纵性灵敏度分析以及动力定位控制策略选择与应用等几个方面进行了研究。本文所进行的研究工作和取得的创新性成果主要有：1)为了实现动力定位的高精度控制，必须建立自主式水下航行器运动的精确模型，包括自主式水下航行器在复杂的环境中运动时受到的所有环境因素。在建立复杂海洋环境下的自主式水下航行器的动力学模型和空间运动方程时，通过公式推导将随机海浪和海流的作用力直接加入到运动方程中，给出了自主式水下航行器在波浪和海流等复杂环境下的通用数学模型。2)自主式水下航行器工作环境中的波浪扰动是非常复杂的随机过程，无法使用准确的数学模型来描述。而为了进行自主式水下航行器动力定位，需要将波浪扰动的信息反馈和前馈到控制系统中以抑制其影响，因此需要对随机海浪扰动进行数值模拟和预测。提出了使用基于波浪谱的数字滤波器法对波浪扰动进行预测，以便于在仿真计算中使用。同时针对自主式水下航行器在实际工作中波浪谱无法预知的情况，提出了基于自回归模型的最小二乘预测方法，实现了随机波浪谱和波浪扰动的实时预测。3)针对自主式水下航行器实际工作环境下波浪的空间分布情况，在当前广泛使用的用测波浮标来进行波浪方向分布估计的方法的基础上，提出了用自主式水下航行器采集的三维流速信息确定波浪方向分布估计，实现了波浪方向谱的实时估计，从而保证自主式水下航行器在动力定位过程中能够以具有最大控制力的主推进器抵抗最大的主波向的波浪扰动。4)处于波浪环境扰动作用下的水下航行器，其流体动力参数不是常数，而是波浪扰动频率的函数，自主式水下航行器的操纵性受到很大影响。在仿真计算分析流体动力参数的不确定性对自主式水下航行器的操纵性的影响的基础上，提出了自主式水下航行器操纵性对流体动力参数的灵敏度概念。在一定的操纵性指标要求下，通过这些灵敏度信息可以确定对自主式水下航行器运动方程中的流体动力参数的准确度要求，对于自主式水下航行器的精确建模工作具有重要意义。5)针对自主式水下航行器的动力学模型的非线性、强耦合性特点，以及在波浪扰动下的流体动力参数的波动，同时为了便于工程实现，选择滑模变结构控制作为自主式水下航行器进行动力定位的控制策略，在分析了执行器的速率限制和幅值限制对滑模变结构控制器的稳定性和鲁棒性的影响，提出了基于边界层重构的预滤波器设计方法，通过动态改变滑模控制器的边界层厚度，以适应执行器的动力学特性，在保证了控制器鲁棒性的同时，当环境扰动变化或自主式水下航行器自身参数产生较大的波动时，有效避免了控制器输出量过大而超出执行器的物理限制，保证了稳定性。6)将波浪扰动的预测方法和滑模控制器设计方法应用于某型水下航行器的动力定位控制器的设计，分别对该型水下航行器的轨迹跟踪控制和定点控制进行仿真，仿真结果显示通过准确合理的动力学建模、环境扰动预测和选用合适的控制策略，水下航行器完全能够实现动力定位操作。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的目的与意义
• 1.1.1 水下航行器概述
• 1.1.2 水下航行器动力定位研究的目的意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 水下航行器研究现状
• 1.2.2 船舶动力定位研究现状
• 1.2.3 水下航行器动力定位相关技术发展现状
• 1.3 论文的主要工作内容
• 第二章 复杂环境下水下航行器运动建模技术研究
• 2.1 引言
• 2.2 运动学方程
• 2.2.1 坐标系和参数定义
• 2.2.2 坐标系之间的转换－欧拉角
• 2.2.3 运动学方程
• 2.3 刚体动力学
• 2.3.1 平移运动方程
• 2.3.2 旋转运动方程
• 2.3.3 自由空间运动方程
• 2.4 作用在水下航行器上的波浪力和力矩
• 2.5 流体动力和力矩
• 2.5.1 附加质量力
• 2.5.2 Froude－Krilloff力
• 2.5.3 重力和浮力
• 2.5.4 粘性阻力
• 2.5.5 升力
• 2.6 控制力
• 2.7 空间六自由度运动方程
• 2.7.1 静水情况下水下航行器运动方程
• 2.7.2 复杂环境下的水下航行器运动方程
• 2.8 本章小结
• 第三章 波浪扰动建模与预测技术研究
• 3.1 引言
• 3.2 线性波理论
• 3.3 随机波浪理论
• 3.4 作用在水下航行器的波浪载荷预测
• 3.4.1 莫里森（Morison）方程
• 3.4.2 横向波浪力
• 3.4.3 空间倾斜水下航行器受到的波浪力
• 3.5 海浪的数值模拟
• 3.5.1 基于波浪谱的海浪线性预测模型
• 3.5.2 系统建模和实时前向预测
• 3.5.3 对于运动的水下航行器的谱修正
• 3.5.4 基于回归方法的波浪预测建模
• 3.5.5 波浪运动预测的应用算例
• 3.6 使用水下航行器进行波浪方向谱测定与估计
• 3.6.1 波浪方向谱定义
• 3.6.2 波浪方向谱的测定与分析方法
• 3.6.3 使用水下航行器传感器测定波浪方向谱
• 3.7 本章小结
• 第四章 水下航行器操纵性灵敏度研究
• 4.1 引言
• 4.2 水下航行器操纵性灵敏度分析方法
• 4.2.1 灵敏度定义
• 4.2.2 特征运动选择
• 4.3 流体动力参数对水下航行器操纵性的影响
• 4.3.1 附加质量对水下航行器操纵性的影响
• 4.3.2 升力和阻力系数对水下航行器操纵性的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 滑模控制在水下航行器的应用技术研究
• 5.1 引言
• 5.2 滑模变结构控制
• 5.2.1 滑模变结构控制基本概念
• 5.2.2 滑模变结构控制系统的不变性与鲁棒性
• 5.2.3 滑模变结构控制实际应用中存在的问题
• 5.2.4 滑模控制在水下航行器航向控制中的应用
• 5.3 执行器动力学特性与限制对滑模控制的影响
• 5.3.1 包含执行器动力学的滑模控制器设计
• 5.3.2 基于动态边界层的预滤波器设计
• 5.3.3 基于动态边界层的预滤波器设计方法应用算例
• 5.4 本章小结
• 第六章 复杂环境下水下航行器动力定位仿真
• 6.1 引言
• 6.2 水下航行器空间运动方程的简化与分解
• 6.2.1 轨迹跟踪控制的空间运动方程
• 6.2.2 定点控制的空间运动方程
• 6.3 水下航行器轨迹跟踪控制
• 6.3.1 水下航行器水平面轨迹跟踪控制
• 6.3.2 水下航行器纵平面轨迹跟踪控制
• 6.4 水下航行器定点控制
• 6.4.1 推进器动力学建模
• 6.4.2 水下航行器轴向定点控制控制器
• 6.4.3 水下航行器轴向定点控制仿真
• 6.5 本章小结
• 第七章 全文总结与展望
• 7.1 论文工作总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的论文及其它成果
• 致谢