深水自主水下航行器导航与运动控制系统的设计与研究

摘要

拥有丰富石油能源和矿物资源的海洋,是世界各国利益竞争的新空间,水下自航行器(Autonomous Underwater Vehicle,简称AUV)作为一种可以在水下移动,并能搭载勘察、测量传感设备的装备,在海洋开发领域的作用日益显著。
　　AUV水下自主航行,人为干预指令滞后甚至无法被响应,所以必须依托于逻辑清晰、性能可靠的控制系统。本文基于模块化的分布式控制系统结构,重点研究AUV导航定位控制系统和运动控制系统。
　　项目课题建立了以PHINS惯导为核心的组合导航定位系统,并开发了GPS、DVL、深度计、USBL超短基线等辅助导航设备与 PHINS系统的硬件通讯链路和数据融合技术。在此基础上,本文提出适合水下自航行器导航定位技术的联邦Kalman滤波算法,并根据实际工况条件选择设计基于无重置结构的联邦滤波器,充分利用各导航传感器的测量数据,大幅提高系统的容错性和可靠性。通过试验验证了PHINS/DVL组合导航的精度以及USBL超短基线的位置修正技术。
　　为提高AUV航迹跟踪能力,本文开发了一套简单、合理、可靠的航迹规划与解析系统。结合自主研发的矢量推进机构,本文选择了合适的动力驱动电机和俯仰/航向控制舵机,基于安全性和可靠性考虑,开发了适当的主推电机以及舵机的控制方法,并提出基于模糊控制的分段 PID运动控制算法,提高了执行机构对不同工作环境的响应能力。本文还研发了内容完善、性能可靠的应急保护措施,加强了AUV的航行安全性。
　　通过水域试验,修正控制逻辑和算法,并根据AUV航行状态实时整定动作执行机构的PID控制参数,最终实现了AUV的水平航向控制、定深控制和定高控制。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2无人自主水下航行器（AUV）控制系统的研究现状

1.3课题来源和意义

1.4本文主要工作

第二章 导航定位系统的设计研究

2.1引言

2.2组合导航定位系统组成

2.3 Kalman滤波数据融合算法

2.4导航定位系统的联邦滤波器数据融合算法

2.5 PHINS与DVL组合导航精度校准

2.6 USBL超短基线定位系统对水下AUV位置的修正

2.7本章小结

第三章 运动控制系统的设计研究

3.1引言

3.2执行机构的电机控制

3.3航迹规划与解析

3.4航行运动控制算法

3.5航行运动的保护措施

3.6本章小结

第四章 深水AUV水域试验研究

4.1水面航向控制航行试验

4.2航行器定深航行

4.3航行器定高航行

4.4本章小结

第五章 全文总结与展望

5.1全文总结

5.2工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢