基于矢量推进AUV的航行体运动控制研究

发布时间：2017-03-29 08:15

  本文关键词：基于矢量推进AUV的航行体运动控制研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：自主水下航行器(AUV,Autonomous Undersea Vehicle)在军用方面和民用方面都有广泛的应用前景。由于水下环境的复杂性以及不确定性,自主水下航行器已经成为代替人类进行水下探测、水下施工、水下救助和打捞等领域的重要工具,具有巨大的经济效益和社会效益。目前,自主水下航行器大多以舵控制为主,通过舵与水流的相互作用来改变航行器的姿态。AUV在高速巡航状态下,这种以舵作为控制输入的方式控制效果较好,但AUV低速航行时,舵的控制效率很低,机动性差。在零速状态下,舵甚至会失去控制效果。并且,下潜过程中,以舵作为控制输入的AUV容易出现螺旋桨飞车现象,在获得俯仰力矩的同时造成推进力失效,且要克服AUV正浮力产生的力矩,因此低速下往往很难完成下潜动作。针对这些情况,本文研究了一种矢量推进器,它通过改变螺旋桨的方向来产生一个空间矢量推力,并由推力的分量提供AUV所需的操控力和操控力矩,代替了传统的操舵方式。以这种矢量推进器作为控制输入的AUV在高速和低速下都具有较好的控制效果,理想情况下,在零速状态下AUV仍具有较好的控制效果。因此,无论工作在高速状态还是低速状态下,这种矢量推进AUV都具有良好的机动性和灵活性。此外,下潜过程中,由于螺旋桨向下偏转,以矢量推进器作为控制输入的AUV获得俯仰力矩的同时也能得到有效的推进力,一段时间内可以保持推进力始终有效,增加了推进力的作用时间,且可以通过提高螺旋桨转速增大下潜时的俯仰力矩,来克服AUV正浮力产生的力矩。因此低速下可以很容易完成下潜动作。本文主要的研究内容及创新点主要有以下几个方面:一、首先,建立矢量推进AUV的数学模型。根据矢量推进器的结构及工作原理,对这种矢量推进方式下的AUV进行动力学和运动学分析,基于经典的动量和动量矩定理,建立矢量推进AUV的数学模型。采用解耦原理,将AUV的空间运动分解为垂直平面的纵向运动和水平面的侧向运动,并推导出AUV在巡航状态下纵向运动和侧向运动的线性化方程。二、其次,对矢量推进AUV的操纵性进行了分析。采用小扰动原理,根据得到的矢量推进AUV空间运动的线性化方程,推导矢量推进AUV纵平面运动和侧平面运动的扰动方程,进而得到矢量推进AUV各个运动参数的传递函数。然后对这种矢量推进AUV纵平面运动和水平面运动的操纵性进行分析,给出不同航速下AUV纵平面运动和水平面运动的操纵性指数,并与传统推进方式下AUV的操纵性指数进行对比。对比结果表明了矢量推进方式下的AUV操纵性更好,理论上证明了矢量推进器更适合于对AUV的操控。三、然后,对矢量推进AUV的航行体运动控制展开研究。针对AUV模型的不准确性以及水下环境的复杂性和不确定性,对矢量推进AUV的纵向运动和侧向运动分别设计模糊PID控制器和常规PID控制器,仿真得出两种控制器下矢量推进AUV在不同航行模式下的深度、俯仰角和航向角响应曲线,并对比两种控制器下系统的动态品质以及系统的抗扰动性。对比结果表明了模糊PID控制方法在一定程度上能够提高系统的动态品质以及系统的抗扰动性。
【关键词】：自主水下航行器(AUV) 矢量推进AUV 推力失效 数学模型 操纵性分析 模糊PID控制器
【学位授予单位】：中国舰船研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U674.941;TP273
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-20
• 1.1 引言10-12
• 1.2 研究背景及意义12
• 1.3 矢量推进AUV的研究现状12-16
• 1.3.1 矢量推进器的定义及种类12-14
• 1.3.2 矢量推进AUV的优点14-16
• 1.4 AUV的控制策略研究现状16-18
• 1.5 目前存在的问题18
• 1.6 本文主要研究内容18-20
• 第二章 矢量推进AUV的数学建模20-34
• 2.1 引言20-21
• 2.2 坐标系及参数定义21-24
• 2.2.1 坐标系21
• 2.2.2 运动学参数21-23
• 2.2.3 坐标转换与坐标转换矩阵23-24
• 2.3 矢量推进AUV的运动描述24-25
• 2.4 矢量推进AUV的动力学分析25-31
• 2.4.1 矢量推进AUV六自由度动力学方程25-26
• 2.4.2 作用在矢量推进AUV上的力和力矩26-31
• 2.5 矢量推进AUV的运动学分析31-32
• 2.5.1 AUV平动运动学方程31
• 2.5.2 AUV转动运动学方程31-32
• 2.6 矢量推进AUV的空间运动32-33
• 2.6.1 AUV纵向运动方程32-33
• 2.6.2 AUV侧向运动方程33
• 2.7 本章小结33-34
• 第三章 矢量推进AUV的操纵性分析34-49
• 3.1 引言34
• 3.2 矢量推进AUV总体参数34-35
• 3.3 平衡偏转角 de0和平衡攻角 0a35-36
• 3.4 扰动方程及传递函数36-39
• 3.4.1 纵向扰动方程及传递函数36-38
• 3.4.2 侧向扰动方程及传递函数38-39
• 3.5 矢量推进AUV操纵性计算39-48
• 3.5.1 操纵性指数39
• 3.5.2 纵向运动操纵性计算39-44
• 3.5.3 侧向运动操纵性计算44-48
• 3.5.4 侧向运动回转性能48
• 3.6 本章小结48-49
• 第四章 矢量推进AUV的航行体运动控制49-78
• 4.1 引言49
• 4.2 模糊PID控制49-53
• 4.2.1 PID控制49-50
• 4.2.2 模糊控制50-52
• 4.2.3 模糊PID控制器的基本原理52-53
• 4.3 矢量推进AUV模糊PID控制器的设计53-62
• 4.3.1 模糊控制器维数的建立53
• 4.3.2 模糊集及其隶属度函数的建立53-56
• 4.3.3 模糊控制规则及模糊推理方法56-61
• 4.3.4 解模糊及模糊PID自整定参数的输出61-62
• 4.4 矢量推进AUV的航行体运动控制仿真62-77
• 4.4.1 纵向运动控制62-68
• 4.4.2 侧向运动控制68-75
• 4.4.3 抗扰动性分析75-77
• 4.5 本章小结77-78
• 第五章 总结和展望78-80
• 5.1 全文总结78-79
• 5.2 研究展望79-80
• 致谢80-81
• 参考文献81-86
• 攻读硕士学位期间发表的论文86

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 段洪君;史小平;;基于滑模自适应的飞行器鲁棒姿态控制[J];兵工学报;2009年07期

2 李铁术;宋保维;;基于PID控制的模糊自适应动力定位技术[J];弹箭与制导学报;2007年02期

3 陈路伟;周朝晖;;矢量推进方式下的自主式水下航行器纵向运动操纵性分析[J];船海工程;2011年02期

4 张睿彬;;模糊参数自整定PID控制器的设计与仿真研究[J];中原工学院学报;2007年01期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 王聘;无人自主水下航行器矢量推进器研究[D];西北工业大学;2006年

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本文编号：274022