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《哈尔滨工程大学》 2006年
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水下机器人动力学模型辨识与广义预测控制技术研究

徐建安  
【摘要】: 21世纪是人类研究、开发及和平利用海洋的世纪,随着人类对海洋开发利用的不断增加,能够探测水下环境并且自主完成特定作业任务的水下机器人受到国内外研究机构的广泛重视。作为在复杂海洋环境下工作的载体,自主性及安全性是水下机器人的重要特征,智能控制技术是保障其自主性和安全性的重要基础和核心技术。水下机器人智能控制的内涵包括自主规划、运动控制与状态监控。研究水下机器人自主任务规划、智能运动控制、传感器信息融合以及自主监控技术,对于提高水下机器人的智能化水平和加快工程化应用进程具有重要的意义。 水下机器人是具有较强非线性的复杂动态系统,广义预测控制对于模型辨识误差、传感器噪声以及被控系统的时滞和阶次不确定表现出良好的鲁棒性,本文进行了基于广义预测控制算法的水下机器人运动控制的研究工作。从基于牛顿.欧拉方程和神经网络建立水下机器人的动力学模型入手,通过预测模型,根据被控系统的历史信息和未来输入预测其未来输出,采用有限时段滚动优化,并根据被控系统实际输出误差,在线调整预测模型和控制器参数,实现预测模型与控制器的在线调整。 为了研究水下机器人的运动特性,推导了位姿向量在固定坐标系和运动坐标系之间的转换矩阵,根据“海狸”水下机器人的体系结构和运动特点,对转换矩阵进行了简化。根据流体中刚体的牛顿-欧拉方程,建立了“海狸”水下机器人艏向和纵向的动力学模型,利用最小二乘法对动力学模型的参数进行辨识及偏差估计,对“海狸”水下机器人所配置的推进器进行了动态性能分析。 在分析动态递归神经网络用于非线性动态系统辨识的原理及可行性的基础上,推导了改进的Elman网络的动态BP学习算法。以滑动窗口模式,采用截短学习样本的方法,实现改进的Elman网络的在线学习,并进行了存在白噪声和类阶跃信号干扰情况下的非线性动态系统的在线辨识。提出了应用于非线性动态系统神经网络辨识的并行模型和串并模型相融合的改进的系统输出递归方式,既对被辨识系统有一定的滤波能力,又提高了神经网络系统辨识的收敛速度。 在广义预测控制算法方面,对参数未知、参数慢时变以及考虑控制量及控制量变化率受限的线性动态系统进行了广义预测控制的计算机控制研究,对“海狸”水下机器人的动力学模型进行了动态性能分析,利用欧拉差分得到其离散差分方程,基于特殊非线性动态系统可以时变参数线性转化的理论,对具有二次阻力项的水下机器人非线性动力学模型存在白噪声的情况下,进行了艏向、纵向自由度速度、位移方式的广义预测控制研究。 以改进的Elman网络作为多步预测模型,提出并推导了神经广义预测控制律的灵敏度导数计算公式,在存在白噪声干扰和类阶跃信号干扰情况下,分别利用具有在线学习功能的和不具有在线学习功能的神经广义预测控制算法进行了非线性动态系统的预测控制研究和控制误差分析。提出了将具有在线学习功能的神经广义预测控制算法应用于水下机器人的运动控制,并进行了计算机仿真研究,由于改进了神经网络系统输出的递归方式,基于神经网络的广义预测控制相对于基于CARIMA模型的广义预测控制的鲁棒性要好。具有在线学习功能的神经广义预测控制的计算机仿真结果表明具有在线学习功能的神经广义预测控制算法能够实现非线性动态系统的预测控制,且控制效果优于不具有在线学习功能的神经广义预测控制。
【学位授予单位】:哈尔滨工程大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2006
【分类号】:TP242

【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前4条
1 毛宇峰;水下机器人系统体系结构及避障控制技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 赵大旭;介入诊疗机器人多体系统建模分析与实现[D];南京航空航天大学;2010年
3 潘立鑫;水下机器人近水面横遥减摇控制策略研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
4 毕凤阳;欠驱动自主水下航行器的非线性鲁棒控制策略研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前9条
1 李建民;AUV水下回收预测与协调控制技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 袁伟杰;自治水下机器人动力学建模及参数辨识研究[D];中国海洋大学;2010年
3 李世巍;系统控制理论及其在水下机器人系统中的应用研究[D];哈尔滨工程大学;2011年
4 彭树萍;AUV动力学模型辅助的航位推算方法研究[D];哈尔滨工程大学;2011年
5 李源;补给船船位广义预测控制方法研究[D];哈尔滨工程大学;2011年
6 张艳芬;电弧炉电极升降死区非线性系统的预测控制[D];东北大学;2008年
7 杨春;基于神经网络的非线性预测控制算法的研究[D];太原理工大学;2012年
8 何斌;DSRV运动控制中参数自寻优典型方法研究[D];哈尔滨工程大学;2012年
9 邢家伟;动力定位船运动数学模型参数辨识方法研究[D];哈尔滨工程大学;2012年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国博士学位论文全文数据库 前4条
1 郭健;一类非线性系统广义预测控制研究[D];南京理工大学;2002年
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3 于华男;开架式水下机器人辨识与控制技术研究[D];哈尔滨工程大学;2003年
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中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 沈伟;模糊PID控制在水下机器人运动控制中的应用[D];哈尔滨工程大学;2005年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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8 陈玮琪;颜开;王宝寿;;辨识航行体水动力参数的智能方法[J];船舶力学;2011年04期
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
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2 何晋;王杰;王华;;基于模糊策略的水下机械手轨迹控制[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
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4 张韶光;张剑波;肖熙;;浅海海底管线检测艇操纵性和运动仿真研究[A];第十二届中国海岸工程学术讨论会论文集[C];2005年
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6 张萍;屈宝存;薛力红;;一类时延非线性系统的新型自适应预测控制[A];2003中国控制与决策学术年会论文集[C];2003年
7 王文庆;韩崇昭;;一类结构不确定组合系统的鲁棒镇定[A];2006中国控制与决策学术年会论文集[C];2006年
8 高宪文;王韬;;广义预测控制在焦炉温度控制中的研究[A];2006中国控制与决策学术年会论文集[C];2006年
9 贺艳花;李平;张绍东;;基于CARIMA模型的鲁棒预测控制器的设计[A];2006中国控制与决策学术年会论文集[C];2006年
10 ;Fuzzy Neural Network controller for AUV based on RAN[A];2009中国控制与决策会议论文集(3)[C];2009年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 田峰敏;水下地形导航模型求解与导航区初选策略研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
2 朱怡;潜艇航行训练模拟器模型简化与参数优化研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
3 毛宇峰;水下机器人系统体系结构及避障控制技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
4 邵宗凯;无刷双馈电机建模及智能控制策略研究[D];华中科技大学;2010年
5 林龙信;仿生水下机器人的增强学习控制方法研究[D];国防科学技术大学;2010年
6 魏晋宏;预测控制在工业生产过程中的应用研究[D];太原理工大学;2011年
7 丛岩峰;高速公路环境中自主驾驶车辆运动规划与控制[D];吉林大学;2011年
8 李鹏;基于系统辨识的太阳能—相变蓄热新风供暖系统控制策略研究[D];北京邮电大学;2011年
9 刘强;三维振动主动隔离智能结构中的若干关键技术研究[D];南京航空航天大学;2009年
10 陈立生;基于支持向量机的木材干燥预测控制技术[D];东北林业大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 徐玉颖;气垫式流浆箱智能解耦控制系统[D];浙江理工大学;2010年
2 吴夏来;广义预测控制简化算法研究[D];浙江理工大学;2010年
3 武海博;预测函数控制系统的鲁棒性研究[D];郑州大学;2010年
4 史文韬;基于DSP的水下机器人嵌入式控制系统设计[D];哈尔滨工程大学;2010年
5 姜婵娟;遥控式水下机器人PID运动控制算法优化研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
6 张杰;近水面作业的机器人综合减摇机理研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
7 李建民;AUV水下回收预测与协调控制技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
8 李建朋;水下机器人浮力调节系统及其深度控制技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
9 谢笑颖;环境最优船舶区域动力定位方法研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
10 孙靖;水下机器人状态反馈广义预测解耦控制技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 丁文镜,罗仁凡,董琳,王树桂;水下航行体水动参数的仿真辨识[J];兵工学报;1992年04期
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9 侯恕萍,严浙平;深潜救生艇的现状及发展趋势[J];船舶工程;2004年04期
10 李遵华;邢继峰;薛坚;候国林;;基于Simulink的潜器在海浪中运动的实时仿真[J];船舶工程;2007年05期
中国重要会议论文全文数据库 前5条
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 张宏瀚;高性能U型减摇水舱系统设计与控制方法研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 刘贤喜;机械系统虚拟样机仿真软件的实用化研究[D];中国农业大学;2001年
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4 庄开宇;变结构控制理论若干问题研究及其应用[D];浙江大学;2002年
5 何斌;医用微型机器人动力学建模及其行为智能控制研究[D];浙江大学;2001年
6 毕卫平;不确定非线性系统的鲁棒H_∞控制问题[D];郑州大学;2002年
7 夏国清;水面舰船动力定位系统智能控制技术研究[D];哈尔滨工程大学;2001年
8 李广军;深潜救生艇多机械手对接装置的研究[D];哈尔滨工程大学;2001年
9 王毓顺;潜艇近水面空间运动联合控制系统研究[D];哈尔滨工程大学;2001年
10 臧传德;船舶航行的智能预测控制研究[D];哈尔滨工程大学;2002年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 李建民;AUV水下回收预测与协调控制技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 李楠;基于BP神经网络广义预测控制在气体压缩过程中的应用研究[D];哈尔滨理工大学;2010年
3 李波;水下无人航行器发展研究[D];西北工业大学;2002年
4 张坚;神经网络控制技术在现代电站中的应用[D];重庆大学;2003年
5 王永社;电弧炉及其电极调节系统的自适应控制研究[D];西安理工大学;2004年
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7 曹辉进;自主式水下航行器建模与运动控制仿真研究[D];天津大学;2004年
8 滕英祥;船舶在风浪中的操纵运动仿真[D];大连海事大学;2004年
9 阮定龙;基于人工神经网络的生物膜滴滤塔废气处理过程的建模和预测控制[D];重庆大学;2004年
10 贾智宏;水下机器人仿真模型及定位系统研究[D];南京理工大学;2004年
【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前1条
1 张利军;齐雪;赵杰梅;庞永杰;;垂直面欠驱动自治水下机器人定深问题的自适应输出反馈控制[J];控制理论与应用;2012年10期
中国博士学位论文全文数据库 前5条
1 高妍南;基于变形仿生鳍的机器人减摇控制策略研究[D];哈尔滨工程大学;2012年
2 于瑞亭;欠驱动水面船舶的全局镇定控制方法研究[D];哈尔滨工程大学;2012年
3 廖煜雷;无人艇的非线性运动控制方法研究[D];哈尔滨工程大学;2012年
4 杜航原;自主式水下航行器同步定位与地图构建算法研究[D];哈尔滨工程大学;2012年
5 廖煜雷;无人艇的非线性运动控制方法研究[D];哈尔滨工程大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前8条
1 刘勇;欠驱动船舶直线航迹控制[D];大连海事大学;2011年
2 徐鹏飞;基于模糊理论的AUV回收运动协调控制技术研究[D];哈尔滨工程大学;2011年
3 李源;补给船船位广义预测控制方法研究[D];哈尔滨工程大学;2011年
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5 李艳伟;智能控制技术在电弧炉电极调节中的应用[D];天津理工大学;2012年
6 邓睿;矿热炉电极调节系统设计与控制算法研究[D];中南大学;2012年
7 吴乃龙;小型AUV动力学建模及推力控制研究[D];中国海洋大学;2012年
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【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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【相似文献】
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
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中国重要报纸全文数据库 前10条
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5 胡捷递 记者 姜雪松;水下机器人实验室通过验收[N];哈尔滨日报;2009年
6 化所;沈阳自动化所水下机器人两课题通过验收[N];中国船舶报;2010年
7 本报通讯员 戴晓峰 由晓雪 记者 由庆祝;徐玉如的水下机器人情怀[N];中国工业报;2010年
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
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5 林龙信;仿生水下机器人的增强学习控制方法研究[D];国防科学技术大学;2010年
6 姜大鹏;多水下机器人协调控制技术研究[D];哈尔滨工程大学;2011年
7 潘立鑫;水下机器人近水面横遥减摇控制策略研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 张剑;基于神经网络的水下机器人建模方法研究[D];哈尔滨工程大学;2006年
2 徐长密;水下机器人—机械手系统动力学建模及运动控制研究[D];中国海洋大学;2010年
3 吕新昱;水下机器人舵机控制系统设计[D];哈尔滨工程大学;2010年
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5 王月;基于群集智能的多水下机器人协调研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
6 戴军;基于遗传算法的水下机器人模糊控制器设计[D];哈尔滨工程大学;2002年
7 肖涛;基于Backstepping方法的水下机器人自适应滑模控制技术研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
8 史文韬;基于DSP的水下机器人嵌入式控制系统设计[D];哈尔滨工程大学;2010年
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