海流扰动下欠驱动水下机器人三维轨迹跟踪研究

摘要

智能水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)在搜救、军事和海洋开发等领域发挥着越来越重要的作用。欠驱动AUV的轨迹跟踪问题作为AUV运动控制的一个方面已被国内外一些学者高度关注，而在实际的工作环境中，海流的干扰是一个必须考虑的问题。本文重点研究了海流干扰下欠驱动AUV的轨迹跟踪问题。
　　首先，本文列举了几种典型的欠驱动AUV，介绍了海洋航行器运动控制的三个组成部分和欠驱动AUV的成因。同时总结了欠驱动AUV运动控制问题的国内外研究现状，并且介绍了几种常见的 AUV动力学模型并给予标准模型分析了欠驱动AUV动力学方程的非完整性。
　　然后，论文介绍了相关的线性和非线性控制方法和稳定理论，分别是：线性时变系统稳定理论、反步法、Lyapunov稳定理论和Lasalle不变原理。
　　在欠驱动 AUV三维轨迹跟踪控制方面，首先，基于前人的工作，在阻尼矩阵只存在线性水动力的情况下运用线性稳定理论得出相应的控制器，实现了三维空间内的轨迹跟踪，仿真实验验证了方法的有效性。同时，在小结部分，指出了该方法在实际应用中可能出现的问题和困难。
　　当 AUV动力学方程中存在非线性项时，线性方法便不能应用，因此论文对欠驱动 AUV在三维空间内的直线轨迹跟踪和曲线轨迹跟踪进行了研究，先是将目标直线轨迹离散成一系列点，使 AUV一点跟踪的方式对直线进行跟踪。然后设计了另一种基于反步法的控制器，实现了三维空间内欠驱动 AUV曲线轨迹跟踪，仿真实验显示了该控制器的有效性。
　　当存在较弱的海流扰动时，仿真实验表示了已提出的控制器的有效性，但随着流速增大，控制器的有效性降低，这是需要提出一种主动抑制海流的方法，对于定常无旋的海流，将动力学方程建立在海流坐标系下，改进已提出的控制器，主动抑制海流干扰。并且论文通过变换建立在海流坐标系下动力学方程的基本结构将海流看做是扰动量，为海流观测器的提出打下基础。

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第1章 绪论

1.1引言

1.2课题研究的目的和意义

1.3运动控制系统的组成

1.4欠驱动AUV运动控制国内外研究现状

1.5 AUV采用欠驱动的原因和其运动控制难点

1.6本文研究内容及内容安排

第2章 欠驱动AUV运动特性分析

2.1参考坐标系介绍

2.2 AUV的动力学方程介绍

2.3本章小结

第3章 带有线性阻尼的欠驱动AUV三维轨迹跟踪

3.1线性时变稳定理论

3.2控制器的设计

3.3稳定性分析和参数选择

3.4仿真实验

3.5本章小结

第4章 存在非线性项的欠驱动AUV直线轨迹跟踪

4.1 Lyapunov稳定性理论概念[48]

4.2反步法

4.3基于点跟踪的直线跟踪

4.4控制器设计

第5章 海流干扰下三维曲线轨迹跟踪

5.1 利用点跟踪实现三维曲线轨迹跟踪的问题

5.2 控制器设计

5.3仿真实验

5.4 海流对于轨迹跟踪的影响

5.5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