作业型水下自主机器人系统开发及其姿态控制研究

摘要

无人潜器的发展方向是轻量化，无缆自主和功能丰富化。而AUV则因其无缆自主的特点，被用来执行需要大范围机动的轻量任务。但绝大多数AUV只能用于观测而没有操作的能力。因此，对作业型水下自主机器人(IAUV)进行设计开发和研究是必要的。为了搭载不同水下作业部件和支持水下作业实验展开，本文根据需求设计开发了用于浅水的小型轻量的作业型AUV机体。其可以无拖缆进行水下自主移动，可以根据需要拓展、更换不同的工作部件和推进器，从而可以用于不同的水下操作任务并配置与之适应的动力分布。
　　为了使得作为搭载操作部件的机体能够保持稳定的姿态，本文设计了相应的姿态控制器。而进行水下操作的IAUV是一个受未知大扰动和自身特性时变的耦合非线性系统，因此本文引入CMAC网络对时变且复杂的系统进行适应，并利用李雅普诺夫原理证明了闭环系统的稳定性，彻底消除自适应控制器的潜在发散可能。通过不同控制器控制结果的比较，验证了CMAC鲁棒自适应控制律不仅能快速准确适应扰动，还能稳定的运行不出现突然发散的现象。
　　作业型水下自主机器人会要工作在不同的深度，如果通过推进器持续运行来调节深度，将是一个及其耗费能量的过程。利用浮力调节装置进行浮沉控制就显得很有必要。本文提出并设计完成了新型的自排油浮力调节原理，从而使浮力调节装置在浅水处工作更可靠。本文还建立了浮力调节装置的动力学模型。为了更快的调节深度，本文基于最大值原理证明了时间最优控制有限切换序列的存在，并进一步综合最优控制器与PD控制器二者优点，设计了变结构深度控制器。其在大范围深度调节时能够获得快速性，同时对于目标深度跟踪有较好的准确性和稳定性。

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摘要

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表格

1 研究意义

1．1 作业型水下机器人(IAUA)研究背景及意义

1．2 水下机器人用浮力调节装置(VBS)研究背景

1．3 作业型水下机器人的发展和研究现状

1．3．1 作业型水下机器人的发展现状

1．3．2 水下机器人姿态控制研究现状

1．4 浮力调节装置的发展和研究现状

1．4．1 浮力调节装置的研究现状

1．4．2 浮力调节装置深度控制算法研究现状

1．5 本文研究目标与研究内容

2 作业型水下机器人系统设计

2．1 水下机器人设计方案

2．1．1 机械结构设计

2．1．2 推进器布置设计

2．1．3 电气控制系统

2．1．4 控制软件系统架构

2．2 浮力调节装置设计

2．3 本章小结

3 作业型AUV机体的动力学建模

3．1 一般水下刚体建模分析

3．1．1 运动学模型

3．1．2 动力学模型

3．2 作业型水下机器人动力学建模

3．2．1 推进器推力的优化分配

3．2．2 水动力模型的相关简化

3．2．3 对于各项扰动的建模处理

3．3 本章小结

4 作业型水下机器人姿态控制算法研究

4．1 推进器可任意配置的PD控制算法

4．2 基于CMAC神经网络的自适应控制算法

4．2．1 CMAC网络

4．2．2 基于CMAC的逆模型自适应控制

4．2．3 基于CMAC的鲁棒自适应控制

4．3 本章小结

5 浮沉控制装置深度控制算法研究

5．1 系统建模

5．2 最优控制序列存在的证明

5．3 控制器设计和仿真

5．4 本章小结

6 结论

参考文献

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