基于误差空间的AUV鲁棒跟踪控制

论文摘要

AUV的精确跟踪控制能力对于AUV来说是一项很关键的行为能力。现有的传统控制方法大多对AUV的其他动态控制有着比较好的控制效果,而对AUV的跟踪控制往往并不能起到很好的控制效果,本论文的目的就是针对AUV跟踪控制系统存在强干扰和被跟踪轨迹的不确定性的特点,从提高AUV的跟踪控制性能出发,采用基于误差空间(Error Space/ES)理论的AUV跟踪控制方法,力求开发一种具有强抗干扰能力,响应速度快的新型跟踪控制策略,进行AUV在复杂环境以及自身工作状态变化时的空间跟踪控制问题研究,并分析该控制方法的鲁棒性,为AUV的作业任务(海底地形勘察,远程隐蔽航行,水下动态对接,自主布放回收,海底管线维护等)奠定基础。该控制方法的理论基础是结合被跟踪平台的动态过程,以被跟踪平台和跟踪平台的空间误差为状态空间的状态量组成误差空间系统。由于融合了被跟踪平台的动态过程和空间误差,跟踪精度和跟踪能力将大大增加,同时系统的鲁棒性也大大增强。本文首先对AUV的运动学模型进行了深入的分析,建立了AUV空间运动方程,对AUV的受力情况进行了详细的描述,用数学的方法描述了控制舵的非线性特性。然后介绍了误差空间的理论基础,对AUV的空间运动非线性模型进行模型解耦和线性化处理,设计了工程上可实现的基于误差空间的AUV位置跟踪控制器,利用经典的数字PID控制方法设计了AUV的速度控制器,并对AUV的跟踪路径进行了参数化。而且对AUV的受到的海浪、海流、测量噪声干扰进行了分析,利用统计学的方法实现了海浪干扰的模拟仿真,对AUV受到的海浪等干扰进行分析,给出了测量噪声对AUV跟踪控制的影响模型。利用不同的系统配置状态、不同的被跟踪轨迹、不同的干扰对基于误差空间的AUV跟踪控制器的仿真验证,通过与经典PID控制的对比研究表明：该控制器可以零幅相误差跟踪给定的轨迹,且具有很好的鲁棒性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 AUV的发展现状
• 1.3 AUV的跟踪控制研究现状
• 1.4 本文主要内容及结构安排
• 第2章 AUV空间运动建模
• 2.1 AUV空间运动方程
• 2.1.1 AUV空间运动坐标系的选取与坐标变换
• 2.1.2 AUV空间运动方程的向量形式及展开
• 2.2 AUV空间运动受力分析
• 2.2.1 AUV的水动力
• 2.2.2 AUV的静力和静力矩
• 2.2.3 推进器的推力
• 2.2.4 AUV受到总的力和力矩
• 2.3 控制舵的非线性设计
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于误差空间的跟踪控制器设计
• 3.1 误差空间理论
• 3.2 AUV空间运动方程的简化和线性化
• 3.2.1 AUV空间运动模型解耦
• 3.2.2 AUV运动模型的非线性特性
• 3.2.3 AUV垂直面控制的简化和线性化
• 3.2.4 AUV水平面控制的简化和线性化
• 3.3 AUV的速度控制器设计
• 3.3.1 PID控制理论基础
• 3.3.2 基于数字PID的AUV速度控制器设计
• 3.4 AUV跟踪控制的路径设计
• 3.4.1 分段线性化路径
• 3.4.2 以路径点生成路径
• 3.5 本章小结
• 第4章 AUV空间跟踪控制干扰分析
• 4.1 干扰模型的数学描述
• 4.2 海浪的描述及仿真
• 4.2.1 平面进行波的的描述和分析
• 4.2.2 海浪的统计学特性
• 4.2.3 功率谱密度
• 4.2.4 PM谱和ITTC标准波能谱
• 4.2.5 海浪的模拟仿真及频谱分析
• 4.3 海浪对AUV跟踪控制干扰分析
• 4.3.1 深度测量噪声模型
• 4.3.2 波浪力和力矩对AUV的干扰
• 4.4 海流对AUV跟踪控制的干扰分析
• 4.4.1 海流的描述与简化
• 4.4.2 水平恒定流对AUV跟踪控制的干扰分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于误差空间的AUV跟踪控制鲁棒性分析
• 5.1 AUV三维空间曲线跟踪结果与分析
• 5.1.1 被跟踪曲线建模
• 5.1.2 AUV的空间运动仿真模型
• 5.1.3 AUV空间曲线跟踪的结果与分析
• 5.2 垂直面曲线跟踪仿真结果与鲁棒性分析
• 5.2.1 不同系统状态下的仿真结果与鲁棒性分析
• 5.2.2 跟踪不同轨迹的仿真结果与鲁棒性分析
• 5.2.3 海浪干扰下的仿真结果与鲁棒性分析
• 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