AUV均衡系统控制技术的研究

论文摘要

自治式水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle,简称AUV)是高技术的集成体,而AUV的控制问题是其诸多技术中迫切需要研究、解决的关键技术之一。AUV在航行过程中都会存在一定大小的零升力和零升力矩,并且其在航行过程中还会带有一定的正浮力。零升力和零升力矩以及正浮力会对AUV的运动控制产生一定的影响,必须操纵水平舵压一定的舵角来克服这些影响,这势必会影响水平舵的可操纵范围,而且会增加AUV的航行过程中的能源消耗,所以必须想办法解决这些问题。本论文正是基于上面存在的这些问题,研究AUV的均衡系统在其控制中的应用,并重点研究用均衡系统来补偿AUV的水平舵压舵角的舵效。论文首先建立了AUV垂直面运动数学模型,并且建立了相应的执行机构(舵和均衡系统)的数学模型,最后对AUV垂直面运动数学模型进行了仿真验证。其次,论文研究了模糊控制基础理论,以及结合自适应控制的自适应模糊控制算法,并且分析了基于修正因子自调整的自适应模糊控制器的设计与应用。再次,论文研究了均衡系统在AUV静态均衡中的应用,设计了相应的自适应模糊控制器,并且进行了静态均衡仿真验证。最后,对AUV的湖试试验数据进行了研究,分析了湖试中出现水平舵很大压舵角的原因,设计了AUV速度控制器和纵倾控制器,并运用均衡系统分别采用不同的控制策略来补偿AUV的水平舵压舵角的舵效,来实现提高AUV的操纵性和安全性,达到节省能源的目的。另外,文章对AUV近水面定深航行的情况进行了研究,针对二阶波浪力的特点,应用均衡系统来克服二阶波浪力对AUV定深航行的影响。最后通过相应的仿真验证,证明了均衡系统确实可以补偿水平舵的压舵角。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 课题的研究背景和意义
• 1.3 AUV均衡控制技术研究的意义
• 1.4 国内外的研究现状
• 1.5 本论文的主要工作
• 第2章 AUV垂直面运动和均衡系统的数学建模
• 2.1 引言
• 2.2 AUV的简单介绍
• 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 运动坐标系与固定坐标系之间的变换
• 2.4 AUV空间运动的受力分析
• 2.4.1 AUV的静力
• 2.4.2 AUV的舵力
• 2.4.3 零升力和零升力矩
• 2.5 海浪模型
• 2.6 AUV垂直面运动数学建模
• 2.7 AUV均衡系统的建模
• 2.7.1 AUV均衡系统的介绍
• 2.7.2 均衡系统的数学模型
• 2.8 AUV垂直面运动数学模型的仿真验证
• 2.9 本章小结
• 第3章 自适应模糊控制的理论及设计方法
• 3.1 引言
• 3.2 模糊控制介绍
• 3.2.1 模糊控制概述
• 3.2.2 模糊数学基础
• 3.2.3 选择隶属度函数的原则
• 3.2.4 模糊控制器的常规设计方法
• 3.3 自适应模糊控制器的设计
• 3.3.1 自适应模糊控制概述
• 3.3.2 自适应模糊控制器的设计
• 3.3.3 模糊控制器参数整定
• 3.4 本章小结
• 第4章 AUV静态均衡自适应模糊控制器的设计
• 4.1 引言
• 4.2 AUV均衡系统的调节策略
• 4.2.1 横倾调节策略
• 4.2.2 纵倾调节策略
• 4.2.3 浮力调节策略
• 4.3 AUV静态均衡自适应模糊控制器的设计
• 4.4 AUV静态均衡操纵的仿真验证
• 4.5 本章小结
• 第5章 自适应模糊均衡系统在AUV航行中的应用
• 5.1 引言
• 5.2 湖试数据的分析
• 5.3 AUV的速度控制
• 5.3.1 AUV速度控制器设计模型
• 5.3.2 AUV自适应模糊速度控制器的设计
• 5.3.3 AUV的速度控制仿真
• 5.4 AUV的纵倾控制
• 5.4.1 AUV纵倾控制器设计模型
• 5.4.2 AUV自适应模糊纵倾控制器的设计
• 5.4.3 AUV的纵倾控制仿真
• 5.5 均衡系统在AUV深水定深航行中的应用
• 5.5.1 均衡系统的静态调节策略及其仿真验证
• 5.5.2 均衡系统的动态调节策略及其仿真验证
• 5.6 均衡系统在 AUV近水面定深航行中的应用
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及取得的科研成果
• 致谢