具有著陸坐底功能的水下自航行器系統(tǒng)控制與試驗研究.pdf

1、在國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)項目資助下,本論文研究開發(fā)了一種新型水下自航行器AUV-VBS(Autonomous Underwater Vehicle withVariable Buoyancy Systems).該系統(tǒng)具有著陸坐底功能、可實現(xiàn)長時間水下監(jiān)測,對于海洋動力環(huán)境監(jiān)測和軍事領(lǐng)域具有重要的應用價值.本文以小型化、經(jīng)濟型為總體設(shè)計目標,主要研究了AUV-VBS的動力學仿真、系統(tǒng)控制與功能試驗,并開發(fā)了原理樣機.系統(tǒng)仿真

2、與試驗結(jié)果驗證了本文研究理論與方法的正確性和有效性.論文主要研究內(nèi)容和成果如下: 1)首創(chuàng)設(shè)計完成具有可著陸坐底功能的水下自航行器AUV-VBS原理樣機及其系統(tǒng)控制,并實現(xiàn)系統(tǒng)航行與著陸坐底功能. 2)建立了AUV-VBS的六自由度動力學模型,通過數(shù)值仿真驗證了建模方法的正確性和模型的有效性,并得到了AUV-VBS的一些重要運動參數(shù).為了設(shè)計控制器的需要,運用解耦和小擾動理論,將AUV-VBS一般動力學方程簡化為航速、航

3、向、深度/傾角三個弱耦合子系統(tǒng),獲得了AUV簡化線性控制模型,并對簡化模型的有效性進行仿真驗證. 3)將CAN總線引入AUV-VBS控制系統(tǒng)硬件設(shè)計,設(shè)計了基于CAN總線的分布遞階控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu).制定了CAN總線的應用層協(xié)議、并編制了相應的系統(tǒng)軟件.提出了完備的軟硬件系統(tǒng)及采用的可靠性措施.本文所設(shè)計的控制系統(tǒng)具有可擴展、易移植等特征. 4)針對PID控制器存在的局限性,在研究模糊與非模型滑?？刂破鞯幕A(chǔ)上,設(shè)計了滑模

4、模糊控制器,并提出了其時間次優(yōu)控制的實現(xiàn)方法.通過系統(tǒng)仿真與試驗,顯示了滑模模糊控制器所具有的諸多優(yōu)點,驗證了滑模模糊控制器的控制性能. 5)水下著陸策略是實現(xiàn)AUV-VBS系統(tǒng)功能的關(guān)鍵技術(shù),本文對AUV-VBS的水下著陸策略進行了詳細系統(tǒng)的研究,提出了四種著陸策略.通過仿真和試驗研究總結(jié)了不同著陸策略的優(yōu)缺點及適用范圍. 6)針對本文所開發(fā)的AuV-VBS進行了大量試驗,包括實驗室無水條件試驗、水域試驗、寬水域大深度