自主式水下航行器建模与运动控制仿真研究

摘要

海洋是全球生命支持系统的一个基本组成部分,是实现可持续发展的宝贵财富,为了开发海洋资源,水下航行器的开发和利用日趋活跃.自九十年代以来,在水下机器人领域特别是自主式水下航行器(AUV)的研究得到了各国研究者的广泛关注,同时也取得了巨大进展.该论文研究的对象是一个形状近似鱼雷的自航式水下机器人,研究的目的在于建立研究对象的数学模型,并针对数学模型进行航行器运动控制仿真,为后续控制器的设计提供理论依据及向导作用.该文从鱼雷的数学建模思想出发,建立了研究对象的数学模型,利用小扰动原理简化了数学模型并得出了深度、偏航角等控制参数的控制模型.通过与鱼雷的计算结果比较,证实了建模的正确性.鉴于目前,PID控制的成熟与广泛运用,该文首先运用PID控制,对研究对象进行了运动控制的仿真,仿真结果表明PID控制胜任该对象的控制.文中也对该对象进行了最优控制的仿真.上述两种控制策略的仿真结果虽然令人满意,但都是依赖于简化模型的,其有效性有待于实验研究的证实.模糊控制是不依赖于数学模型的,基于经验的控制策略,对水下航行器的控制尤为适用.该文将模糊控制用于自主水下航行器的运动控制,在控制器设计中避开了复杂的模糊逻辑理论,从浅显的经验出发总结出调整模糊控制决策表的规律,给出了深度、航向、纵倾控制的控制决策表,仿真结果证实了该方法的正确性.同时也注意到模糊控制的稳态精度性能并不好,而PID控制的稳态精度性能较好,若能将两种控制策略结合起来,在偏差较大时运用模糊控制,在偏差较小时切换到PID控制将是较好的控制策略.应该指出的是文中的结论都是通过计算机、利用MATLAB获得的,有待于后续者用实验进行验证、并修正一些控制参数.

目录

文摘

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第一章绪论

1.1引言

1.2国内外自主式水下航行器的发展状况

1.1.1国外AUV的发展状况

1.1.2我国AUV的发展状况

1.3自主式水下航行器控制系统研究

1.3.1航行控制系统的基本回路

1.3.2航行控制系统的控制算法

1.4本文研究内容

1.4.1本文的研究对象

1.4.2本文的研究内容

第二章自主式水下航行器的数学模型及控制系统模型

2.1坐标系及参数定义

2.1.1固定坐标系与运动坐标系的定义

2.1.2速度向量与固定坐标系、运动坐标系的关系

2.2动力学方程的建立

2.2.1动量定律及动量矩定律

2.2.2空间运动的受力分析

2.2.3动力学方程

2.3纵向运动的控制模型

2.3.1纵向运动的空间运动方程

2.3.2纵向运动的控制模型

2.3.3研究对象纵向运动的控制模型

2.4横向运动的控制模型

2.4.1横向运动的空间运动方程及控制模型

2.4.2研究对象横向运动的控制模型

2.5本章结论

第三章基于模型的自主式水下航行器运动控制仿真

3.1 PID控制器的设计及调节

3.1.1PID调节及其参数整定方法

3.1.2控制器及其仿真

3.1.3 PID控制仿真结论

3.2自主式水下航行器最优控制及其仿真

3.2.1线性二次型最优控制

3.2.2仿真结果

第四章自主式水下航行器的模糊控制

4.1模糊控制

4.2模糊控制器与模糊控制策略

4.2.1模糊控制器结构

4.2.2模糊控制规则

4.3仿真结果

4.4本章结论

第五章本文结论

附录水动力系数的估算

参考文献

作者在攻读硕士学位期间参加科研情况和发表论文

致谢