具有着陆坐底功能的水下自航行器系统控制与试验研究

论文摘要

在国家高技术研究发展计划（863计划）项目资助下,本论文研究开发了一种新型水下自航行器AUV-VBS（Autonomous Underwater Vehicle with Variable Buoyancy Systems）。该系统具有着陆坐底功能、可实现长时间水下监测,对于海洋动力环境监测和军事领域具有重要的应用价值。本文以小型化、经济型为总体设计目标,主要研究了AUV-VBS的动力学仿真、系统控制与水域试验,并开发了原理样机。系统仿真与试验结果验证了本文研究理论与方法的正确性和有效性。论文主要研究内容和成果如下:1)首创设计完成具有可着陆坐底功能的水下自航行器AUV-VBS原理样机及其系统控制,并实现系统航行与着陆坐底功能。2)建立了AUV-VBS的六自由度动力学模型,通过数值仿真验证了建模方法的正确性和模型的有效性,并得到了AUV-VBS的一些重要运动参数。为了设计控制器的需要,运用解耦和小扰动理论,将AUV-VBS一般动力学方程简化为航速、航向、深度/倾角三个弱耦合子系统,获得了AUV简化线性控制模型,并对简化模型的有效性进行仿真验证。3)将CAN总线引入AUV-VBS控制系统硬件设计,设计了基于CAN总线的分布递阶控制系统体系结构。制定了CAN总线的应用层协议、并编制了相应的系统软件。提出了完备的软硬件系统及采用的可靠性措施。本文所设计的控制系统具有可扩展、易移植等特征。4)针对PID控制器存在的局限性,在研究分析非模型滑模控制器的基础上,设计了滑模模糊控制器,并提出了其时间次优解的实现方法。通过系统仿真与试验,显示了滑模模糊控制器所具有的诸多优点,验证了滑模模糊控制器的控制性能。5)水下着陆策略是实现AUV-VBS系统功能的关键技术,本文对AUV-VBS的水下着陆策略进行了详细系统的研究,提出了四种着陆策略。通过仿真和试验研究总结了不同着陆策略的优缺点及适用范围。6)针对本文所开发的AUV-VBS进行了大量试验,包括实验室无水条件试验、水域试验、宽水域大深度试验和海试。采用系统仿真与试验结合的方法,进行了系统的试验研究。该试验不仅验证了本文研究理论与方法的正确有效性,而且得出了很多具有理论与实用价值的结论。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 水下航行器发展概述
• 1.2.1 载人潜水器（HOV）
• 1.2.2 无人遥控水下航行器（ROV）
• 1.2.3 水下自航行器（AUV）
• 1.2.3.1 美国AUV的研究状况
• 1.2.3.2 其它国家AUV的研究状况
• 1.2.3.3 我国AUV的研究状况
• 1.3 水下自航行器控制技术研究概述
• 1.4 水下自航行器存在的技术问题
• 1.5 课题来源和意义
• 1.6 本文主要研究内容
• 第二章 水下自航行器系统总体设计
• 2.1 引言
• 2.2 设计目标与功能要求
• 2.3 系统重心-浮心设计
• 2.4 结构布局与单元模块划分
• 2.4.1 测量与通讯模块设计
• 2.4.2 驱动与操纵模块设计
• 2.4.3 压载与释放模块设计
• 2.5 控制系统布局与单元模块划分
• 2.6 本章小结
• 第三章 水下自航行器动力学建模研究
• 3.1 引言
• 3.2 运动学分析
• 3.2.1 坐标系定义
• 3.2.2 变量定义
• 3.2.3 坐标变换
• 3.2.3.1 惯性坐标系与动坐标系之间的变换关系
• 3.2.3.2 旋转角速度与姿态角之间的变换关系
• 3.3 动力学分析
• 3.3.1 受力分析
• 3.3.2 动力学方程
• 3.4 动力学数值仿真
• 3.4.1 仿真算法与流程
• 3.4.2 仿真结果与分析
• 3.4.2.1 水平面动力学仿真
• 3.4.2.2 纵垂面动力学仿真
• 3.4.2.3 空间动力学仿真
• 3.5 控制模型简化
• 3.5.1 模型解耦
• 3.5.2 模型线性化
• 3.5.2.1 航行速度简化模型
• 3.5.2.2 水平面动力学简化模型
• 3.5.2.3 纵垂面动力学简化模型
• 3.5.3 简化模型仿真与分析
• 3.5.3.1 水平面运动仿真
• 3.5.3.2 纵垂面运动仿真
• 3.6 本章小结
• 第四章 水下自航行器控制系统研究
• 4.1 引言
• 4.2 控制系统结构选择
• 4.3 CAN总线原理与应用研究
• 4.3.1 CAN总线原理简述
• 4.3.2 CAN总线应用层协议制定
• 4.3.3 CAN总线应用层软件设计
• 4.4 控制系统体系结构设计
• 4.4.1 总体控制系统体系结构
• 4.4.2 主要模块设计
• 4.5 控制系统软件设计
• 4.6 控制系统可靠性设计
• 4.7 本章小结
• 第五章 水下自航行器运动控制算法研究
• 5.1 引言
• 5.2 运动控制系统结构
• 5.3 PID控制器研究
• 5.3.1 PID航速控制器
• 5.3.2 PID航向控制器
• 5.3.3 PID深度/倾角控制器
• 5.4 滑模模糊控制器研究
• 5.4.1 模糊控制器简介
• 5.4.2 非模型滑模控制器
• 5.4.2.1 稳定性分析
• 5.4.2.2 对干扰的鲁棒性分析
• 5.4.2.3 对参数变化的鲁棒性分析
• 5.4.2.4 控制器参数分析
• 5.4.3 滑模模糊控制器设计
• 5.4.4 滑模模糊控制器仿真与试验研究
• 5.4.4.1 航向控制器仿真与试验
• 5.4.4.2 深度/倾角控制器仿真与试验
• 5.4.4.3 滑模模糊控制器跟踪性能研究
• 5.5 本章小结
• 第六章 水下自航行器着陆策略研究
• 6.1 引言
• 6.2 注水自由下沉着陆策略研究
• 6.2.1 着陆速度分析
• 6.2.2 着陆倾角分析
• 6.3 下潜到位注水着陆策略研究
• 6.4 注水控制着陆策略研究
• 6.5 双向规划定点着陆策略研究
• 6.5.1 问题描述
• 6.5.2 定点着陆轨迹规划策略研究
• 6.5.3 轨迹跟踪策略研究
• 6.5.3.1 视向轨迹跟踪策略研究
• 6.5.3.2 交叉误差轨迹跟踪策略研究
• 6.6 坐底稳定性分析
• 6.7 本章小结
• 第七章 水下自航行器试验研究
• 7.1 引言
• 7.2 控制系统单元试验
• 7.2.1 CAN通信试验
• 7.2.2 运动部件单元试验
• 7.3 航行试验研究
• 7.3.1 水平面航行试验
• 7.3.2 纵垂面航行试验
• 7.4 水下着陆试验
• 7.5 释放压载主体上浮与测量数据发送试验
• 7.6 本章小结
• 第八章 全文总结
• 8.1 总结
• 8.2 工作展望
• 参考文献
• 附录
• 附录 A
• 参加的科研项目和发表的学术论文
• 致谢