自主式水下航行器的建模与自适应滑模控制

发布时间：2017-05-16 02:08

  本文关键词：自主式水下航行器的建模与自适应滑模控制，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】： 本论文系统研究了自主式水下航行器的建模、非线性自适应滑模控制、以及深度调整和水平面导引方法等问题，具体成果和创新点如下 1、根据流体力学理论，建立了螺旋桨推进器的动态模型，它以螺旋桨来流速度v_p和螺旋桨转速n为状态变量，以电机施加转矩τ为输入，螺旋桨推力T和转矩Q为输出。 2、针对自主式水下航行器非线性强、模型参数获取困难的问题，提出了非线性自适应滑模控制，从理论上证明了它的全局渐近稳定性。其特点是在滑模控制的基础上引入自适应机制，在线估计不确定参数，从而消除参数不确定性对系统性能的影响，在保证鲁棒性的基础上减小了滑模控制附加项的幅值。考虑到可能出现的参数漂移，提出了自适应律的两点改进。 3、研究了自主式水下航行器的速度／位置跟踪控制问题。在推进器动态模型的基础上，采用滑模控制的方法，由速度／位置误差获得期望推力，再通过求解包括来流速度的二次方程得到期望螺旋桨转速。通过对比未考虑与考虑推进器动态模型两种情况的控制结果，说明该模型的重要性。 4、提出基于模糊推理系统的自主式水下航行器深度调整策略。该方法建立在对水下航行器的机动性能和水下环境等先验知识的基础上，，突出优点是易于理解、操作和修改。 5、研究了自主式水下航行器水平面运动的“视线”导引算法，并考虑了广泛存在的定常海流对水平面导引轨迹的影响。在速度和位置测量的基础上，设计了海流速度的观测器，并对“视线”导引进行修正，使水下航行器能够沿“视线”航行。本论文还研究了一种基于极坐标变换的“视线”导引，并与前面的方法进行了对比。
【关键词】：自主式水下航行器 推进器动态模型 非线性自适应滑模控制 速度/位置跟踪控制 模糊推理系统 深度调整 水平面导引
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2004
【分类号】：U661
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-6
• 目录6-9
• 第一章 绪论9-17
• 1.1 水下航行器简介9-12
• 1.2 水下环境--面临的挑战12
• 1.3 导航／传感器系统、控制系统12-16
• 1.3.1 导航／传感器系统12-14
• 1.3.1.1 导航系统12-14
• 1.3.1.2 其它传感器系统14
• 1.3.2 控制系统14-16
• 1.4 论文研究内容与结构安排16-17
• 第二章 自主式水下航行器建模17-34
• 2.1 引言17
• 2.2 刚体运动学17-21
• 2.2.1 坐标系17-18
• 2.2.2 体坐标系与地面坐标系之间的转换--欧拉角18-19
• 2.2.3 自主式水下航行器的运动描述19-20
• 2.2.4 运动学方程20-21
• 2.2.4.1 体坐标系中的速度v与地面坐标系中的位置r20
• 2.2.4.2 体坐标系中的角速度ω与欧拉角Ω20-21
• 2.3 刚体动力学21-22
• 2.4 惯性类流体动力τ_(AM)22-23
• 2.5 粘性类流体动力τ_V23-26
• 2.5.1 攻角、侧滑角24
• 2.5.2 粘性流体动力的线性表达式24-26
• 2.6 重力和浮力τ_G26-27
• 2.7 推力τ_T27-32
• 2.7.1 来流速度的流体动力学方程28-29
• 2.7.2 电机的动态特性29-30
• 2.7.3 推力T和负载转矩Q的计算30-31
• 2.7.4 方程联立31-32
• 2.8 海(水)流的影响32
• 2.9 空间运动方程分组32-33
• 2.10 本章小结33-34
• 第三章 非线性自适应滑模控制34-50
• 3.1 引言34-35
• 3.2 鲁棒滑模控制35-38
• 3.3 纵向运动的非线性自适应滑模控制38-45
• 3.3.1 纵向运动模型简化38-39
• 3.3.2 深度控制39
• 3.3.3 流体动力参数已知的滑模控制39-40
• 3.3.4 俯仰角自适应滑模控制40-41
• 3.3.5 自适应算法的改进41-43
• 3.3.5.1 死区特性41-42
• 3.3.5.2 自适应律修正42
• 3.3.5.3 稳定性证明42-43
• 3.3.6 仿真结果43-45
• 3.4 侧向运动的非线性自适应滑模控制45-49
• 3.4.1 侧向运动模型简化45-46
• 3.4.2 航向角的滑模控制46-47
• 3.4.3 航向角的自适应滑模控制47
• 3.4.4 仿真结果47-49
• 3.5 本章小结49-50
• 第四章 轴向运动控制50-59
• 4.1 引言50-51
• 4.2 不考虑推进器动态模型的速度／位置控制51-54
• 4.2.1 滑模控制51-52
• 4.2.2 仿真结果52-54
• 4.3 考虑推进器动态模型的速度和位置控制54-58
• 4.3.1 非线性观测器54-56
• 4.3.2 参考转速n_d的求解56
• 4.3.3 仿真结果56-58
• 4.4 本章小结58-59
• 第五章 深度调整和水平面导引59-74
• 5.1 基于模糊推理系统(FIS)的深度调整策略59-63
• 5.1.1 问题提出59
• 5.1.2 模糊推理系统的建立59-62
• 5.1.3 仿真结果62-63
• 5.2 水平面内的导引律63-73
• 5.2.1 “视线”导引64-65
• 5.2.2 “视线”导引仿真65-66
• 5.2.3 定常海流对水平面运动的影响66-67
• 5.2.4 海流速度观测器67-69
• 5.2.5 修正后的“视线”导引仿真69-70
• 5.2.6 基于极坐标变换的“视线”导引70-73
• 5.3 本章小结73-74
• 第六章 全文总结74-77
• 6.1 结论74-75
• 6.2 研究展望75-77
• 6.2.1 推进器动态模型的实验室验证75
• 6.2.2 水下航行器的拉格朗日方法建模75-76
• 6.2.3 非线性状态观测器76
• 6.2.4 波浪对速度／位置控制的影响76
• 6.2.5 神经网络用于深度调整策略76
• 6.2.6 水平面导引方法研究76-77
• 参考文献77-82
• 致谢82-83

【引证文献】

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 王玉甲;水下机器人智能状态监测系统研究[D];哈尔滨工程大学;2006年

2 杜兵;着陆式AUV动力学行为与控制策略研究[D];天津大学;2012年

中国硕士学位论文全文数据库 前5条

1 宋寿山;基于多推进器的AUV建模与控制器设计[D];西北工业大学;2006年

2 王婷;水下航行器动力定位控制[D];西北工业大学;2006年

3 刘波;水下外场试验平台的建模与控制研究[D];西北工业大学;2006年

4 赵宁宁;水下航行器控制系统仿真试验研究与应用[D];西北工业大学;2006年

5 阚如文;无人水下航行器姿态控制策略研究[D];吉林大学;2012年

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本文编号：369351