三推进器结构无人水下航行器的深度控制研究

发布时间：2017-05-31 08:02

  本文关键词：三推进器结构无人水下航行器的深度控制研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：三推进器无人水下航行器是一种结构简单、可靠性高的水下作业设备,其特点是：通过在水平面上布置两个定向推进器、垂直平面上布置一个定向推进器,完成无人水下航行器常用的水下运动。与现有其它结构相比,三推进器结构的稳定性更高、灵活性更强,具有广泛的应用前景。本文研究一种三推进器无人水下航行器的深度控制,在对典型的三推进器运动系统结构进行改进基础上,并在驱动器个数不变的情况下,实现了航行器的俯仰角控制。上述改进使得无入水下航行器在深度控制方式上出现了显著差异,本文着重分析了这种改进后的结构在深度控制上的特点,并通过设计适当的控制策略实现了稳定的深度控制。论文首先研究了三推进器无入水下航行器系统的运动模型,在对比分析现有结构的基础上提出了可行的基本结构和布局方案。在对结构进行数学建模、模型仿真和流体仿真基础上,通过分析仿真结果优化了相关结构参数。针对设计的结构方案,本文深入地进行了深度系统的控制策略研究与设计；通过分析和对比多种控制系统方案,提出了深度控制的控制结构和控制算法。本文采用了一种双闭环的控制算法结构；系统内环采用模糊滑模控制算法实现了俯仰角控制,模糊算法的引入可有效地克服常规滑模控制过程中出现的抖振；系统外环采用模糊控制算法实现了深度控制。在已建立的数学模型基础上,本文对控制策略进行了仿真研究,并通过仿真分析优化了控制参数,仿真表明控制方案具有良好的性能。本文设计并建立了无入水下航行器实验平台,以便研究控制策略和结构设计方案的整体性能。实验平台主要由三推进器无人水下航行器和岸上实时监控台组成。论文对实验平台的整体结构和软硬件系统的设计也进行了详细的论述。最后,以研制的实验平台为基础进行了深度控制实验研究和分析。完成了俯仰角控制、深度控制等实验。通过对航行器的运动特性和控制效果的分析和对比,表明系统结构和控制方案具有良好的性能。
【关键词】：无人水下航行器 三推进器结构 深度控制 俯仰角控制 滑模控制 模糊控制 水下实验
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U674.941
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-22
• 1.1 无人水下航行器的特点及发展现状11-16
• 1.1.1 无人水下航行器的特点11-12
• 1.1.2 国外无人水下航行器的发展现状12-15
• 1.1.3 国内无人水下航行器的发展现状15-16
• 1.2 无入水下航行器深度控制研究现状16-19
• 1.2.1 深度控制典型模型16-18
• 1.2.2 深度控制策略研究现状18-19
• 1.3 研究主要内容与意义19-21
• 1.3.1 研究的主要内容19-20
• 1.3.2 研究的意义20-21
• 1.4 结构安排21-22
• 第2章 三推进器结构分析与优化22-40
• 2.1 运动系统的结构特点及改进方案22-28
• 2.1.1 运动系统的特点分析22-25
• 2.1.2 三推进器结构的改进方案25-28
• 2.2 系统数学模型28-34
• 2.2.1 空间坐标的定义28-29
• 2.2.2 运动学与动力学方程的建立29-32
• 2.2.3 模型解耦32-34
• 2.3 模型仿真与分析34-39
• 2.3.1 数学模型仿真34-36
• 2.3.2 外形流体仿真36-39
• 2.4 本章小结39-40
• 第3章 控制策略研究40-57
• 3.1 被控对象与控制策略40-43
• 3.1.1 深度控制系统的结构40-41
• 3.1.2 控制策略的分析与选择41-43
• 3.2 基于滑模控制的俯仰角控制策略设计43-47
• 3.2.1 滑模控制算法设计43-45
• 3.2.2 抖振的消除45-47
• 3.3 基于模糊控制的深度控制策略设计47-51
• 3.3.1 深度控制的控制方案分析48-49
• 3.3.2 模糊控制算法设计49-51
• 3.4 控制策略仿真与分析51-56
• 3.4.1 俯仰角控制仿真分析51-54
• 3.4.2 深度控制仿真分析54-56
• 3.5 本章小结56-57
• 第4章 无入水下航行器实验系统设计57-74
• 4.1 实验系统设计目标分析57-58
• 4.2 主体结构设计58-61
• 4.2.1 结构修正和材料选择58-60
• 4.2.2 密封设计及检测60-61
• 4.3 电气系统设计61-69
• 4.3.1 主要电子设备62-66
• 4.3.2 深度数据采集PCB设计66-68
• 4.3.3 电气系统空间布局68-69
• 4.4 实验系统的软件开发69-73
• 4.4.1 无人水下航行器运动控制程序设计70-72
• 4.4.2 岸上实时监控程序设计72-73
• 4.5 本章小结73-74
• 第5章 系统测试与水下实验74-83
• 5.1 系统性能测试74-77
• 5.1.1 密封及耐压实验74-75
• 5.1.2 通信可靠性测试75-76
• 5.1.3 定速巡航实验76-77
• 5.2 俯仰角控制水下实验77-79
• 5.2.1 实验环境和干扰测量77-78
• 5.2.2 实验数据分析78-79
• 5.3 深度控制水下实验79-82
• 5.3.1 实验条件及初始定义79-80
• 5.3.2 实验数据分析80-82
• 5.4 本章小结82-83
• 第6章 总结与展望83-85
• 6.1 全文总结83-84
• 6.2 研究展望84-85
• 参考文献85-87

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