混合驱动水下滑翔机垂直面控制方法研究

发布时间：2017-09-01 09:21

  本文关键词：混合驱动水下滑翔机垂直面控制方法研究

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【摘要】：陆地资源日益匮乏,作为蕴藏丰富资源的海洋及其重要的地理意义已受到世界各国的极大关注,而水下机器人作为海洋探测和作业的工具也受到极大的关注。混合驱动水下滑翔机(Hybrid-driven underwater gliders,简称HDUGs)是集无人自治水下机器人(Automomous Underwater Vehicles,简称AUVs)和水下滑翔机(Autonomous Underwater Gliders,简称AUGs)于一体的新型水下机器人。螺旋桨推进AUVs为水平面航行,适合于较小范围、短时间的观测作业任务,但不适合于大范围、长时间的海洋环境垂直剖面参数观测任务。水下滑翔机适合于垂直剖面内、大范围、长时间的观测作业任务,但由于水下滑翔机无法直接水平航行且航行速度较低,使得水下滑翔机不太适合在较大海流海域和浅海区域执行海洋环境观测任务。混合驱动水下滑翔机是一种浮力与螺旋桨混合驱动的新概念水下滑翔机,这种滑翔机同时具有螺旋桨推进AUVs和水下滑翔机的特点,既可以水平航行,又可以沿锯齿形轨迹滑翔航行,具有较强的海洋环境适应能力。本文首先介绍了混合驱动水下滑翔机的工作机理,对其各重要结构和三种航行模式进行了详细介绍。然后主要针对混合驱动水下滑翔机垂直面,借鉴水下滑翔机三维动力学模型,利用牛顿第二定律详细推导了其垂直面动力学模型。本文采用矢量力学的方法,将混合驱动水下滑翔机作为多刚体系统,将其简化为以下质量点组成的系统:调整滑翔机姿态的内部可移动质量块、调节浮力的的质量块、质量均匀分布的壳体质量块以及配平质量块,将水动力、重力、浮力等作为外力,采用牛顿第二定理建立了其垂直面动力学方程。并进行了仿真实验,实验结果表明了该动力学模型能准确的描述混合驱动水下滑翔机的运动。由于混合驱动水下滑翔机是非线性、强耦合,且受到海流、结构不确定等因素的影响,为了克服这些问题,针对滑翔机垂直面提出了基于逆模型和滑模控制的非线性控制方法。本文为了方便对逆模型的讨论,将混合驱动水下滑翔机垂直面动力学模型进行了转化,然后通过转化后的垂直面动力学模型,并结合被控量和实际系统的输出推导出了混合驱动水下滑翔机的逆模型,此方法将原本高阶、非线性、强耦合的混合驱动水下滑翔机模型解耦为两个单入单出的线性模型,然后应用滑模控制方法对垂直面合速度和俯仰角进行控制。仿真结果表明了基于逆模型和滑模的垂直面控制方法具有良好的控制性能,而且对外界扰动具有一定的鲁棒性。
【关键词】：混合驱动水下滑翔机 水下滑翔机 非线性控制 垂直面控制 逆模型 滑模控制
【学位授予单位】：沈阳建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 前言10-11
• 1.2 研究背景11-15
• 1.3 课题研究目的及意义15-16
• 1.4 论文基本内容16-18
• 1.4.1 论文研究内容16
• 1.4.2 论文组织结构16-18
• 第二章 混合驱动水下滑翔机工作机理18-26
• 2.1 前言18
• 2.2 混合驱动水下滑翔机系统结构18-21
• 2.2.1 混合驱动水下滑翔机总体结构18-19
• 2.2.2 俯仰调节系统设计19-20
• 2.2.3 浮力调节系统设计20-21
• 2.3 滑翔机分布式控制系统21-23
• 2.3.1 控制系统软硬件结构21-23
• 2.3.2 传统PID控制方法23
• 2.4 混合驱动水下滑翔机工作模式23-24
• 2.5 本章小结24-26
• 第三章 混合驱动水下滑翔机动力学建模26-46
• 3.1 前言26
• 3.2 坐标系定义及相互转换26-31
• 3.2.1 各坐标系定义26-28
• 3.2.2 坐标系间的变换关系28-31
• 3.3 动力学模型31-36
• 3.3.1 滑翔机简化模型31-32
• 3.3.2 滑翔机动力学建模32-35
• 3.3.3 垂直面动力学模型35-36
• 3.4 实验与结果分析36-43
• 3.4.1 实验相关参数36
• 3.4.2 实验结果与分析36-43
• 3.5 本章小结43-46
• 第四章 基于逆模型和滑模的垂直面控制方法46-62
• 4.1 前言46
• 4.2 垂直面逆模型的求解46-48
• 4.3 控制器设计48-51
• 4.3.1 整体控制框架48-49
• 4.3.2 滑模控制器设计49-51
• 4.4 实验与结果分析51-59
• 4.5 本章小结59-62
• 第五章 结论62-64
• 5.1 结论62-63
• 5.2 展望63-64
• 参考文献64-68
• 作者简介68
• 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文68-70
• 致谢70-71

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本文编号：771240