復雜環(huán)境下自主式水下航行器動力定位技術研究.pdf

1、隨著自主式水下航行器的發(fā)展和廣泛應用，對其機動性和操縱性的要求也越來越高，在自主式水下航行器執(zhí)行任務的過程中，不但要求其在環(huán)境擾動作用下按照預定的軌跡運動，而且在許多情況下需要利用自主式水下航行器對目標物進行更細致的觀察，這就需要自主式水下航行器相對于目標物的位置保持不變，即要求自主式水下航行器具有能夠抵抗環(huán)境擾動的動力定位能力。 自主式水下航行器的動力定位是一個復雜的過程，首先由于自身大小和負載能力的限制，自主式水下航行器能夠

2、攜帶的測量設備的種類和數(shù)量較少，因此獲得的位置和環(huán)境擾動信息類型和數(shù)量較少；其次，由于自主式水下航行器本身的體積小、質量輕，自身的慣性較小，對環(huán)境擾動的響應更為靈敏，自主式水下航行器無法靠自身的慣性抑制對高頻環(huán)境擾動的響應。另外，自主式水下航行器的動力定位需要控制更多的自由度。 本文在自主式水下航行器的動力學建模研究、環(huán)境擾動建模和預測研究、復雜環(huán)境下的自主式水下航行器操縱性靈敏度分析以及動力定位控制策略選擇與應用等幾個方面進行

3、了研究。本文所進行的研究工作和取得的創(chuàng)新性成果主要有： 1)為了實現(xiàn)動力定位的高精度控制，必須建立自主式水下航行器運動的精確模型，包括自主式水下航行器在復雜的環(huán)境中運動時受到的所有環(huán)境因素。在建立復雜海洋環(huán)境下的自主式水下航行器的動力學模型和空間運動方程時，通過公式推導將隨機海浪和海流的作用力直接加入到運動方程中，給出了自主式水下航行器在波浪和海流等復雜環(huán)境下的通用數(shù)學模型。 2)自主式水下航行器工作環(huán)境中的波浪擾動是非

4、常復雜的隨機過程，無法使用準確的數(shù)學模型來描述。而為了進行自主式水下航行器動力定位，需要將波浪擾動的信息反饋和前饋到控制系統(tǒng)中以抑制其影響，因此需要對隨機海浪擾動進行數(shù)值模擬利預測。提出了使用基于波浪譜的數(shù)字濾波器法對波浪擾動進行預測，以便于在仿真計算中使用。同時針對自主式水下航行器在實際工作中波浪譜無法預知的情況，提出了基于自回歸模型的最小二乘預測方法，實現(xiàn)了隨機波浪譜和波浪擾動的實時預測。 3)針對自主式水下航行器實際工作環(huán)

5、境下波浪的空間分布情況，在當前廣泛使用的用測波浮標來進行波浪方向分布估計的方法的基礎上，提出了用自主式水下航行器采集的三維流速信息確定波浪方向分布估計，實現(xiàn)了波浪方向譜的實時估計，從而保證自主式水下航行器在動力定位過程中能夠以具有最大控制力的主推進器抵抗最大的主波向的波浪擾動。 4)處于波浪環(huán)境擾動作用下的水下航行器，其流體動力參數(shù)不是常數(shù)，而是波浪擾動頻率的函數(shù)，自主式水下航行器的操縱性受到很大影響。在仿真計算分析流體動力參數(shù)

6、的不確定性對自主式水下航行器的操縱性的影響的基礎上，提出了自主式水下航行器操縱性對流體動力參數(shù)的靈敏度概念。在一定的操縱性指標要求下，通過這些靈敏度信息可以確定對自主式水下航行器運動方程中的流體動力參數(shù)的準確度要求，對于自主式水下航行器的精確建模工作具有重要意義。 5)針對自主式水下航行器的動力學模型的非線性、強耦合性特點，以及在波浪擾動下的流體動力參數(shù)的波動，同時為了便于工程實現(xiàn)，選擇滑模變結構控制作為自主式水下航行器進行動力

7、定位的控制策略，在分析了執(zhí)行器的速率限制和幅值限制對滑模變結構控制器的穩(wěn)定性和魯棒性的影響，提出了基于邊界層重構的預濾波器設計方法，通過動態(tài)改變滑?？刂破鞯倪吔鐚雍穸?，以適應執(zhí)行器的動力學特性，在保證了控制器魯棒性的同時，當環(huán)境擾動變化或自主式水下航行器自身參數(shù)產(chǎn)生較大的波動時，有效避免了控制器輸出量過大而超出執(zhí)行器的物理限制，保證了穩(wěn)定性。 6)將波浪擾動的預測方法和滑?？刂破髟O計方法應用于某型水下航行器的動力定位控制器的設計