坞舱搭载AUV回收过程中对线控位技术的研究

论文摘要

随着自治式水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle)技术不断发展,海洋工作站搭载小型水下机器人的作业模式具有极大优点,这种模式要求水下机器人可以在水中布放和回收。海洋工作站背部设有一个坞舱用于搭载AUV,工作站航渡时AUV在坞舱中,对工作站运动不产生影响;到达作业水域,AUV从坞舱中布放出去,作业完成后,自动回到坞舱中,相对布放回收更加困难。由于AUV从坞舱外向坞舱进行坐落时,水动力环境由一个无限宽广水域变化到一个受限水域,在回收过程中将会产生水动力干扰,对AUV回收控制产生不利影响,而本文正是研究AUV在该模式下的回收运动控制技术,因此水动力干扰问题成为一个不可回避需要解决的问题。对水动力干扰问题的研究,现已有很多理论和数值计算方法。本文采用计算流体动力学软件Fluent对AUV坐落坞舱过程的水动力进行了数值模拟计算,从计算结果来看,水动力干扰主要表现为对AUV产生一个垂向力和一个俯仰力矩,并对其计算数据进行回归分析,总结出由于水动力干扰对AUV所产生的垂向力和俯仰力矩的计算公式。最后基于对水动力干扰问题研究的结果,建立了AUV进行回收时存在水动力干扰作用下的运动数学模型。由于海洋工作站的坞舱和AUV的外形都近似为长条体,采用普通的单点位置控制方法很难控制AUV坐落到坞舱中,因此本文在AUV的回收运动控制中使用了艏、艉双参考点位置控制方法(对线控位),最后采用模糊自整定PID控制方法对AUV的回收运动控制过程进行了数字仿真。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景及选题意义
• 1.2 国内外相关技术发展情况
• 1.2.1 AUV的研究现状
• 1.2.2 AUV回收技术的发展状况
• 1.2.3 AUV控制技术的发展状况
• 1.3 本文主要工作
• 第2章 AUV的运动与建模
• 2.1 引言
• 2.2 AUV运动控制系统模型的组成
• 2.2.1 AUV研究对象介绍
• 2.2.2 AUV运动控制系统的模块划分
• 2.3 AUV运动分析中的坐标系
• 2.3.1 固定坐标系
• 2.3.2 运动坐标系
• 2.3.3 坐标系的变换
• 2.4 AUV的运动方程
• 2.4.1 AUV的平移运动方程
• 2.4.2 AUV的转动运动方程
• 2.5 AUV空间运动的受力分析
• 2.5.1 AUV的艇体水动力
• 2.5.2 AUV的静力
• 2.5.3 AUV的舵力
• 2.5.4 AUV推进器的推力
• 2.6 AUV空间六自由度运动模型
• 2.7 本章小结
• 第3章 AUV坐落坞舱过程水动力数值模拟计算
• 3.1 引言
• 3.2 基本假设及计算方案
• 3.3 AUV坐落坞舱过程水动力数值模拟计算
• 3.3.1 计算流体动力学软件FLUENT简介
• 3.3.2 数值模拟计算过程
• 3.4 AUV坐落坞舱过程水动力数值模拟计算结果及分析
• 3.4.1 AUV坐落坞舱过程周围流场的速度矢量图
• 3.4.2 AUV坐落坞舱过程水动力数值模拟计算结果
• 3.4.3 计算结果分析及规律总结
• 3.4.4 AUV坐落坞舱过程水动力干扰计算公式
• 3.5 AUV在回收过程中的运动数学模型
• 3.5.1 基于回收运动特点对AUV运动数学模型的简化
• 3.5.2 基于水动力干扰对AUV运动数学模型的修改
• 3.5.4 AUV在回收过程中的运动数学模型
• 3.6 本章小结
• 第4章 模糊自整定PID和对线控位控制方法在AUV回收过程中的应用
• 4.1 引言
• 4.2 PID控制理论
• 4.2.1 PID控制理论概述
• 4.2.2 PID控制算法
• 4.3 模糊控制理论
• 4.3.1 模糊控制理论概述
• 4.3.2 模糊数学基础
• 4.3.3 模糊控制器的基本结构
• 4.3.4 “查询表”式模糊控制器
• 4.4 模糊自整定PID控制理论
• 4.4.1 模糊自整定PID控制理论概述
• 4.4.2 模糊自整定PID控制器
• 4.5 模糊自整定PID控制方法在AUV回收过程中的应用
• 4.5.1 模糊控制器输入、输出语言变量的选取及模糊化
• 4.5.2 模糊控制规则表
• 4.5.3 模糊控制表
• 4.5.4 模糊自整定PID控制器参数
• 4.6 对线控位控制方法在AUV回收过程中的应用
• 4.6.1 回收运动控制过程概述
• 4.6.2 对线控位控制方法
• 4.7 本章小结
• 第5章 AUV回收运动控制仿真
• 5.1 引言
• 5.2 仿真结果及分析
• 5.2.1 仿真若干问题说明
• 5.2.2 仿真案例1下的结果及分析
• 5.2.3 仿真案例2下的结果及分析
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢