多功能自主式水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制研究.pdf

1、運(yùn)動(dòng)控制是自主式水下機(jī)器人進(jìn)行自主作業(yè)的基礎(chǔ),是水下機(jī)器人的核心技術(shù)之一,因此對其進(jìn)行深入研究具有重要的理論意義與工程應(yīng)用價(jià)值。本文研究目的在于改善運(yùn)動(dòng)控制效果、提高運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的智能水平、完善控制軟件的自診斷與容錯(cuò)處理,從而保障水下機(jī)器人具有良好的運(yùn)動(dòng)控制性能,能夠適應(yīng)復(fù)雜的海洋環(huán)境,同時(shí)保證運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)具有較高的可靠性。
　　論文研究對象為哈爾濱工程大學(xué)研制的某自主式水下機(jī)器人,該機(jī)器人搭載了多種探測傳感器,具有多種探測作業(yè)功

2、能。由于各種作業(yè)任務(wù)對水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的需求不同,要求運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)能夠根據(jù)各種任務(wù)的特點(diǎn),調(diào)整控制策略及控制方法,保證探測任務(wù)的順利進(jìn)行。同時(shí)要求運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)能夠?qū)碜杂谙到y(tǒng)外部的信息進(jìn)行有效的理解,從而提高運(yùn)動(dòng)控制的執(zhí)行效率和控制效果。另外,機(jī)器人系統(tǒng)可靠性要求運(yùn)動(dòng)控制軟件具有自診斷與容錯(cuò)能力。因此本文重點(diǎn)研究了水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)S面控制方法的穩(wěn)定性問題、欠驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制問題、外部信息理解技術(shù)與運(yùn)動(dòng)控制軟件的自診斷與容錯(cuò)技術(shù)。
　　針對

3、水下機(jī)器人S面運(yùn)動(dòng)控制方法的穩(wěn)定性問題,從位置控制和速度控制兩方面進(jìn)行了分析。應(yīng)用李亞普諾夫穩(wěn)定理論和T-無源理論,完成了S面位置控制器的穩(wěn)定性證明。在位置控制器基礎(chǔ)上推導(dǎo)了S面速度控制器,并對速度控制器的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。對S面控制進(jìn)行自適應(yīng)改進(jìn),提出了自適應(yīng)S面控制方法,進(jìn)行了實(shí)際海上試驗(yàn)驗(yàn)證,并給出了試驗(yàn)結(jié)果。
　　針對機(jī)器人在快速航行時(shí)由于關(guān)閉槽道槳產(chǎn)生的橫移與升沉自由度欠驅(qū)動(dòng)問題,采用橢圓視線法與反步法構(gòu)造了欠驅(qū)動(dòng)直線路

4、徑跟蹤控制器,實(shí)現(xiàn)了對直線路徑的跟蹤控制,給出了海上試驗(yàn)結(jié)果;利用T-S模糊融合的機(jī)器人高度信息構(gòu)造了欠驅(qū)動(dòng)地形跟蹤控制器,實(shí)現(xiàn)了對水底地形的跟蹤控制,并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證;構(gòu)造了基于虛擬控制量的欠驅(qū)動(dòng)深度控制器,實(shí)現(xiàn)了帶有剩余浮力的水下機(jī)器人欠驅(qū)動(dòng)深度控制,并進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。
　　針對規(guī)劃指令與水聲目標(biāo)兩種外部信息的理解問題分別進(jìn)行了研究。借鑒Itti視覺注意力模型,建立了規(guī)劃指令理解模型,并且根據(jù)規(guī)劃指令的理解結(jié)果進(jìn)行了再次規(guī)劃,

5、以便于規(guī)劃系統(tǒng)期望的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)能夠以合理的方式實(shí)現(xiàn),并進(jìn)行了仿真試驗(yàn)驗(yàn)證;應(yīng)用帶有遺忘因子的動(dòng)態(tài)聚類的方法實(shí)現(xiàn)了水聲目標(biāo)的分類與甄別,并采用強(qiáng)跟蹤卡爾曼濾波器對跟蹤目標(biāo)運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行濾波,提高信息準(zhǔn)確度,在水池目標(biāo)跟蹤試驗(yàn)對水聲目標(biāo)信息理解行了驗(yàn)證。
　　針對運(yùn)動(dòng)控制軟件的自診斷與容錯(cuò)問題,將基于vxWorks操作系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制軟件進(jìn)行分解,得到了若干個(gè)由函數(shù)組成的系統(tǒng)級任務(wù)與普通任務(wù),并從系統(tǒng)級、任務(wù)級、函數(shù)級三個(gè)層次進(jìn)行了軟件故障