无人水下航行器姿态控制策略研究

发布时间：2017-06-21 01:04

  本文关键词：无人水下航行器姿态控制策略研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：无人水下航行器(Unmanned Underwater Vehicle，UUV)是一种具有视觉和感知系统，能够通过遥控或自主操作方式在水下移动完成某些特定任务的小型自航载体，，利用UUV可以完成深海探测，海洋资源开发以及军事上海洋作战等任务。这就要求UUV具有高度的自主性、精确的控制和较强跟踪能力。由于UUV本身的六自由度强耦合非线性特点，难以获得精确的流体动力系数，复杂的水况带来的不确定性外部干扰以及由于负载和作业的变化引起的摄动等影响，这使得一般的控制器很难完成UUV的控制任务。因此，设计具有强鲁棒性的控制器是设计UUV自主航行的关键。 本文对UUV的航行姿态控制策略进行了一系列研究，具体研究工作如下： (1)首先建立UUV空间运动坐标系，通过体坐标系和地面坐标系之间的转换关系推导出UUV的运动学方程；分析刚体动力学，根据动量和动量矩定理推导出动力学方程，最后建立UUV运动的数学模型，针对数学模型中含有非线性强耦合等不确定项，将UUV数学模型按照运动平面解耦简化为纵向运动模型和侧向运动模型。 (2)研究了模糊控制器、滑模控制器以及它们组合的控制策略，为了提高控制性能，采用改进模糊控制器隶属度函数的方法设计改进的模糊滑模控制器，针对模糊控制输出的比例因子难以确定，为了更好削弱抖振，设计辅助模糊控制器来自适应调整比例因子，称为自适应模糊滑模控制。接着采用Simulink软件搭建了仿真模型，通过实例仿真分析了这几类控制器的控制性能和鲁棒性。仿真实验表明，改进的模糊滑模控制和自适应模糊滑模控制器都无稳态误差，超调量小，调节时间短，有较强抗干扰能力，具有较好的鲁棒性。 (3)采用模糊滑模控制策略对无人水下航行器的纵向运动控制模型进行了分析，研究了水下航行器深度和俯仰角的准滑模控制、传统模糊滑模控制、改进的模糊滑模控制和自适应模糊控制的控制性能和鲁棒性；对侧向运动的航向角控制采用改进的模糊滑模控制算法，即利用滑模带宽度阈值大小来判断采用指数趋近律滑模控制和模糊滑模控制，比常规的滑模控制更有效。 (4)轴向运动控制在UUV精确控制中起着至关重要的作用，主要包括速度和位置跟踪控制。在建立的轴向运动模型的状态方程中，状态变量为轴向来流速度和螺旋桨转速，输入量为电机施加扭矩，螺旋桨推力和转矩为输出，并采用非线性观测器和自适应反演滑模控制算法来分析是否考虑轴向来流速度对螺旋桨的影响，最终实现精确的位置和速度跟踪控制。 最后，采用本文的控制策略对无人水下航行器的航行姿态进行控制，通过实验仿真取得满意的控制效果，表明该控制策略是有效可行的，具有较高控制性能。
【关键词】：无人水下航行器 数学建模 模糊滑模控制策略 纵向控制 侧向控制 轴向控制
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TP273;TH766
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-19
• 1.1 引言11-12
• 1.2 无人水下航行器国内外研究状况12-16
• 1.2.1 国外 UUV 发展状况12-15
• 1.2.2 国内 UUV 发展状况15-16
• 1.3 无人水下航行器控制技术研究现状16-17
• 1.4 本课题的研究意义17-18
• 1.5 本文主要研究内容18-19
• 第2章 无人水下航行器的运动建模19-31
• 2.1 引言19
• 2.2 UUV 运动学方程19-23
• 2.2.1 坐标系及参数定义19-21
• 2.2.2 坐标系之间的转换关系21-22
• 2.2.3 无人水下航行器的运动学方程22-23
• 2.3 UUV 动力学方程23-28
• 2.3.1 无人水下航行器受到的惯性类流体动力25-26
• 2.3.2 无人水下航行器受到的粘性类流体阻力26
• 2.3.3 无人水下航行器受到的控制力26-27
• 2.3.4 无人水下航行器受到的重力和浮力27-28
• 2.4 无人水下航行器数学模型的简化28-30
• 2.4.1 纵向运动控制模型29
• 2.4.2 侧向运动控制模型29-30
• 2.5 本章小结30-31
• 第3章 模糊滑模控制策略研究及性能分析31-43
• 3.1 引言31
• 3.2 模糊滑模控制算法31-37
• 3.2.1 模糊控制器调节原理31-33
• 3.2.2 滑模变结构控制器33-34
• 3.2.3 改进的模糊滑模控制器34-36
• 3.2.4 自适应模糊滑模控制器36-37
• 3.3 模糊滑模控制控制策略仿真研究37-42
• 3.3.1 三种基本控制器性能仿真分析37-38
• 3.3.2 改进的 FSMC 性能及鲁棒性仿真分析38-40
• 3.3.3 自适应 FSMC 性能及鲁棒性仿真分析40-41
• 3.3.4 模糊滑模控制策略研究的结论41-42
• 3.4 本章小结42-43
• 第4章 无人水下航行器模糊滑模控制策略仿真分析43-57
• 4.1 引言43
• 4.2 UUV 纵向运动的模糊滑模控制43-50
• 4.2.1 纵向运动控制系统43-44
• 4.2.2 纵向运动模型的简化44
• 4.2.3 深度和俯仰角改进 FSMC 性能仿真分析44-47
• 4.2.4 深度和俯仰角自适应 FSMC 性能仿真分析47-50
• 4.3 UUV 侧向运动的模糊滑模控制50-56
• 4.3.1 侧向运动控制系统50
• 4.3.2 侧向运动模型的简化50-51
• 4.3.3 航向角的滑模控制器设计51-52
• 4.3.4 航向角的改进 FSMC 设计52-54
• 4.3.5 改进 FSMC 和常规滑模控制性能仿真对比54-56
• 4.4 本章小结56-57
• 第5章 无人水下航行器轴向运动控制研究57-71
• 5.1 引言57
• 5.2 轴向运动模型及简化57-60
• 5.2.1 轴向来流速度的流体动力学57-59
• 5.2.2 螺旋桨推力和负载力矩模型59-60
• 5.2.3 推进器电机模型60
• 5.2.4 航行器和推进器轴向动力学方程60
• 5.3 忽略轴向来流速度的跟踪控制60-63
• 5.3.1 自适应反演滑模控制器设计60-62
• 5.3.2 仿真结果62-63
• 5.4 考虑轴向来流速度的跟踪控制63-69
• 5.4.1 非线性观测器设计64-67
• 5.4.2 螺旋桨参考转速求解67
• 5.4.3 仿真结果67-69
• 5.5 本章小结69-71
• 第6章 结论与展望71-73
• 6.1 全文总结71-72
• 6.2 未来展望72-73
• 参考文献73-77
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果77-78
• 致谢78

【引证文献】

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 贾霆哲;UUV姿态控制技术研究[D];电子科技大学;2013年

  本文关键词：无人水下航行器姿态控制策略研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：467272