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《华中科技大学》 2010年
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二阶非完整性水下机器人的路径跟踪与协调控制研究

向先波  
【摘要】: 21世纪是海洋的世纪,日益增长的海洋开发需求,以及自主式水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle, AUV)技术的快速发展,使得欠驱动水下机器人已成为AUV家族的重要成员和海洋探测开发的重要工具。欠驱动水下机器人属于二阶非完整性系统,且具有本质上的强非线性,其运动控制问题非常具有挑战性。因此,二阶非完整性欠驱动水下机器人的非线性运动控制研究具有重要的理论价值和实用价值,已经成为水下机器人控制领域的热点问题。 本文深入分析了国内外关于二阶非完整性水下机器人运动控制方面的研究成果,并总结了所存在的问题,在此基础上完成了二阶非完整性水下机器人的路径跟踪控制,并对基于路径跟踪的机器人编队协调控制进行了研究。主要研究内容如下: 首先,简要介绍了非完整性系统,比较了路径跟踪与轨迹跟踪各自的特点,选择了建立路径跟踪误差动力学的合适方案。以一阶非完整性移动机器人为研究对象,深入探讨机器人路径跟踪控制的设计方法,在Serret-Frenet移动坐标系下,提出基于虚拟参考目标点“协作式”路径跟踪的控制策略,完成具有“时空解耦”特性的控制器设计。 其次,建立水下机器人运动学、动力学模型,基于一阶与二阶非完整性系统运动控制的部分相似性,借鉴一阶非完整性机器人路径跟踪的控制策略,实现二阶非完整性水下机器人的三自由度全状态欠驱动路径跟踪控制器,并解除了普遍存在的角速度持续激励的路径跟踪限制条件。通过引入建立在Serret-Frenet移动坐标系且可随路径曲率自适应变化的视线角,将其由传统的船舶直线路径跟踪,扩展到水下机器人曲线参考路径的跟踪控制。采用“视线角导航”和“位置”分步设计,简化了路径跟踪控制律。利用Lyapunov直接法和反演设计技术,将运动学路径跟踪控制器反演至动力学。在此基础上,给出了欠驱动与全驱动水下机器人侧漂角及其加速度的计算处理方法,得到完善的AUV路径跟踪控制解决方案,从而保证了高精度的路径跟踪控制。在海流扰动情况下,基于输入-状态稳定性分析和直接抵抗海流这两种方法,完成路径跟踪控制器设计。 再次,在水下声通信受到通信距离、通信带宽等限制条件下,将二阶非完整性AUV路径跟踪与刚性编队协调有机结合起来,使得基于路径跟踪的AUV编队协调控制更具可行性和实用价值。采用编队参考点与虚拟结构相结合的方法,设定编队路径并增加了编队结构的灵活性。同时,将“时空解耦”的路径跟踪策略嵌入到多AUV编队协调控制设计之中,利用单个机器人的路径跟踪控制器完成三自由度空间位姿跟踪任务,通过对多AUV速度的整体协调控制,实现编队队形。基于主从式控制结构,设计了单源、单向通信机制下的编队协调控制律;通过引入代数图理论知识,得到多机器人复杂网络通信拓扑的数学表达,进而基于无领航者的分散式控制结构,完成AUV编队协调控制器的设计,且考虑了机器人速度饱和的限制。对于存在水下通信时延和可变通信拓扑的情况,提出了基于平均一致连接性切换网络的时延协调控制律。另外,基于水下声纳导航信息,通过引入修正的AUV视线角,利用输入-状态稳定性原理,完成水下机器人编队协调下的路径跟踪及同时避障、避碰的控制设计。 最后,总结了本文的主要研究成果和创新点,并对二阶非完整性水下机器人路径跟踪及编队协调控制的进一步研究工作进行了展望。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TP242

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【引证文献】
中国期刊全文数据库 前1条
1 苏玉民;曹建;徐锋;张国成;;鱼雷形水下机器人非线性航迹跟踪控制[J];上海交通大学学报;2012年06期
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 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
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前9条
1 马岭;崔维成;;Path Following Control of A Deep-Sea Manned Submersible Based upon NTSM[J];China Ocean Engineering;2005年04期
2 韩冰,赵国良;基于微分平滑的欠驱动船舶航迹控制[J];哈尔滨工程大学学报;2004年06期
3 崔荣鑫;严卫生;徐德民;黄英兰;;基于虚拟参考点的AUV编队控制(英文)[J];火力与指挥控制;2008年10期
4 张汝波,王兢,孙世良;具有环境自适应能力的多机器人编队系统研究[J];机器人;2004年01期
5 付江锋;严卫生;赵涛;;欠驱动AUV的直线航迹跟踪控制[J];计算机仿真;2009年10期
6 卜仁祥;刘正江;胡江强;;欠驱动船舶非线性滑模靠泊控制器[J];交通运输工程学报;2007年04期
7 周岗;姚琼荟;陈永冰;周永余;李文魁;;不完全驱动船舶直线航迹控制稳定性研究[J];自动化学报;2007年04期
8 李铁山,杨盐生,郑云峰;不完全驱动船舶航迹控制输入输出线性化设计[J];系统工程与电子技术;2004年07期
9 马岭;崔维成;;NTSM控制的AUV路径跟踪控制研究[J];中国造船;2006年04期
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 王晓飞;基于解析模型预测控制的欠驱动船舶路径跟踪控制研究[D];上海交通大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 孔祥军;船舶操纵运动模拟和智能技术的应用研究[D];武汉理工大学;2004年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 干洪;力学学科的发展现状与21世纪展望[J];安徽建筑工业学院学报(自然科学版);2001年02期
2 王轶卿;李胜;陈庆伟;;Finite-time State Feedback Stabilization Method for a Class of Flexible Manipulators[J];Journal of China Ordnance;2010年04期
3 刘舒;禹梅;谢广明;;基于位置反馈的多机器鱼编队控制[J];兵工自动化;2011年12期
4 梅凤翔;场方法对积分Чаплыгин非完整系统运动方程的应用[J];兵工学报;1992年01期
5 陈立群,王铁光;变质量高阶非完整系统广义Mac-Millan方程的准坐标形式[J];兵工学报;1992年02期
6 张毅;;恰普雷金系统相对运动的稳定性[J];兵工学报;2010年01期
7 施淑伟;严卫生;高剑;李闻白;;常值海流作用下的AUV水平面路径跟踪控制[J];兵工学报;2010年03期
8 王轶卿;李胜;陈庆伟;;一类非完整链式系统的有限时间镇定控制[J];兵工学报;2010年12期
9 张毅;;相空间中非完整非保守力学系统的一个动力学逆问题[J];兵工学报;2012年05期
10 李爱民;;完整约束奇异Lagrange量系统的正则对称性[J];北京工业大学学报;2005年S1期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 阮久宏;李贻斌;;一种新的智能控制器设计方法及其在船舶航向控制中的应用[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
2 刘展雷;马保离;;基于观测器的欠驱动船舶的输出反馈镇定[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
3 沈捷;王莉;林锦国;费树岷;;基于Leader-following方式的多移动机器人队形控制方法研究[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
4 谢文龙;苏剑波;;一种新的机器人系统规划与协调策略[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
5 ;Finite-time Synchronization of Genesio Systems[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年
6 龙建军;吴百海;吴金萍;;基于功能原理的水下潜器模型参数辨识方法与实验估计[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年
7 熊华胜;严浙平;;水下机器人水动力系数估计及其在航向鲁棒控制中的应用[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年
8 ;Attitude Coordination of Deep Space Formation Flying via Virtual Structure[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年
9 高剑;徐德民;严卫生;刘明雍;;欠驱动自主水下航行器的非线性横向跟踪控制[A];中国自动化学会控制理论专业委员会A卷[C];2011年
10 李荣辉;李铁山;李强;;自抗扰控制在船舶航向及航迹控制中的应用[A];中国自动化学会控制理论专业委员会B卷[C];2011年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 张子迎;多机器人协作及环境建模技术研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
2 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
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 高延增;超小型水下机器人关键性能提升技术研究[D];华南理工大学;2010年
5 黄豪彩;深海气密采水系统设计及其海试[D];浙江大学;2010年
6 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
7 周巍;煤矿井下搜救探测机器人的路径规划及轨迹跟踪控制研究[D];太原理工大学;2011年
8 白殿春;下肢康复训练机器人控制策略与康复评价方法研究[D];沈阳工业大学;2011年
9 易振国;车路协同实验测试系统及安全控制技术研究[D];吉林大学;2011年
10 曹芳;电力市场体系协调运作模式研究与实证分析[D];华北电力大学(北京);2011年
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1 汪步云;水下作业机械手抓取力伺服控制的研究[D];安徽工程大学;2010年
2 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
3 韩洪祥;船舶直驱式容积控制液压舵机系统的分析与设计[D];哈尔滨工程大学;2010年
4 张仁丹;船舶航迹控制技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
5 苗玉洁;基于GA的水下机器人多目标路径规划研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
6 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
7 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
8 杨欣颖;潜器光视觉目标识别技术的研究与设计[D];哈尔滨工程大学;2010年
9 谢金鑫;基于参数化有限元的潜水器结构优化设计[D];哈尔滨工程大学;2010年
10 翟欢欢;基于递推的船舶航向鲁棒控制器设计[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 严卫生,许晖,石秀华,杜向党,曹永辉;自主水下航行器制导系统的设计[J];船舶工程;2003年05期
2 王志文;彭秀艳;王大巍;;Serret-Frenet框架下欠驱动船的输出反馈路径跟踪鲁棒控制[J];船舶工程;2010年06期
3 马国梁,陈庆伟,胡维礼;混合系统:回顾与展望[J];东南大学学报(自然科学版);2003年S1期
4 杨芙清,梅宏,李克勤;软件复用与软件构件技术[J];电子学报;1999年02期
5 王晓丽;洪奕光;;多智能体系统分布式控制的研究新进展[J];复杂系统与复杂性科学;2010年Z1期
6 吴小平;冯正平;朱继懋;;多AUV队形控制的新方法[J];舰船科学技术;2008年02期
7 陈强;张林根;;美国军用UUV现状及发展趋势分析[J];舰船科学技术;2010年07期
8 张汝波,王兢,孙世良;具有环境自适应能力的多机器人编队系统研究[J];机器人;2004年01期
9 程玉虎,易建强,赵冬斌;机器人行为协调机制研究进展[J];机器人;2004年02期
10 徐红丽,许真珍,封锡盛;基于局域网的多水下机器人仿真系统设计与实现[J];机器人;2005年05期
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 由光鑫;多水下机器人分布式智能控制技术研究[D];哈尔滨工程大学;2006年
2 孟宪松;多水下机器人系统合作与协调技术研究[D];哈尔滨工程大学;2006年
3 柳林;多机器人系统任务分配及编队控制研究[D];国防科学技术大学;2006年
4 董炀斌;多机器人系统的协作研究[D];浙江大学;2006年
5 甘永;水下机器人运动控制系统体系结构的研究[D];哈尔滨工程大学;2007年
6 杨文;多智能体系统一致性问题研究[D];上海交通大学;2009年
7 王晓飞;基于解析模型预测控制的欠驱动船舶路径跟踪控制研究[D];上海交通大学;2009年
8 杨莹;几类随机混杂系统的稳定性分析及其控制[D];西安电子科技大学;2009年
9 雷斌;群体机器人系统合作控制问题研究[D];武汉理工大学;2009年
10 佘莹莹;多智能体系统一致性若干问题的研究[D];华中科技大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前9条
1 王兢;水下机器人编队系统研究[D];哈尔滨工程大学;2003年
2 徐宏根;多水下机器人编队协调问题研究[D];哈尔滨工程大学;2005年
3 王作为;基于进化算法的智能机器人行为学习研究[D];哈尔滨工程大学;2006年
4 林永屹;基于Backstepping的船舶航向非线性控制方法的研究[D];大连海事大学;2007年
5 郭磊;自主式水下机器人基于行为的控制方法研究[D];中国海洋大学;2008年
6 李锋;多智能体Q学习在多AUV协调中的应用与仿真[D];哈尔滨工程大学;2008年
7 姜磊;弱通信条件下水下机器人协调方法研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
8 冯欣;基于Backstepping的船舶动力定位系统控制器设计[D];大连海事大学;2009年
9 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
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 陈栋;魏环;李全善;赵众;潘立登;;模块化思想在CGPC控制软件中的应用[J];北京化工大学学报(自然科学版);2008年05期
2 彭秀艳,李小军,沈艳,赵希人;大型船舶航迹多变量随机最优控制[J];船舶工程;2003年03期
3 周建锁,刘志远,裴润;一种非线性连续预测变结构控制方案[J];电机与控制学报;2000年04期
4 袁天保,刘新建,秦子增;混合加权连续预测控制研究[J];电机与控制学报;2005年06期
5 袁天保;刘新建;秦子增;;自旋弹道导弹连续预测控制研究[J];弹箭与制导学报;2005年S8期
6 杨盐生,于晓利,贾欣乐;船舶航向鲁棒PID自动舵设计[J];大连海事大学学报;1999年04期
7 杨国勋,郭晨,贾欣乐;船舶运动的混合智能控制[J];大连海事大学学报;2002年01期
8 李铁山,杨盐生,洪碧光;船舶直线航迹控制的鲁棒自适应非线性设计[J];大连海事大学学报;2004年04期
9 胡耀华,贾欣乐;船舶运动的预测控制[J];大连海事大学学报;1998年01期
10 杨盐生,贾欣乐;船舶航向的变结构控制自动舵设计[J];大连海事大学学报;1998年01期
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 杨盐生;不确定系统的鲁棒控制及其在船舶运动控制中的应用[D];大连海事大学;2000年
中国硕士学位论文全文数据库 前3条
1 王兢;水下机器人编队系统研究[D];哈尔滨工程大学;2003年
2 孔祥军;船舶操纵运动模拟和智能技术的应用研究[D];武汉理工大学;2004年
3 江宝安;基于UKF滤波的单目标跟踪算法研究[D];国防科学技术大学;2003年
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 张铭钧,韩金华,李洪志;基于神经网络的水下机器人航向角跟踪控制[J];哈尔滨工程大学学报;1999年06期
2 滕宇浩,张将,刘健;水下机器人多功能作业工具包[J];机器人;2002年06期
3 刘红;发掘红薯的启示──《水下机器人》组稿过程[J];科技与出版;2002年01期
4 邹丹,张铭钧,韩志学;水下机器人覆盖式作业区探测方法[J];哈尔滨工程大学学报;2003年04期
5 彭学伦;水下机器人的研究现状与发展趋势[J];机器人技术与应用;2004年04期
6 奚崇德;;水下机器人[J];船艇;1987年12期
7 ;活跃在海底的水下机器人[J];船舶物资与市场;1999年04期
8 甘永,王丽荣,刘建成,徐玉如;水下机器人嵌入式基础运动控制系统[J];机器人;2004年03期
9 wilson;;国外机器人竞赛荟萃[J];电子制作;2011年09期
10 李庆中,顾伟康,叶秀清,项志宇;移动机器人路径跟踪的智能预瞄控制方法研究[J];机器人;2002年03期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 黄海;万磊;庞永杰;秦再白;;船体检测遥控水下机器人控制系统结构[A];第十五届中国海洋(岸)工程学术讨论会论文集(上)[C];2011年
2 桑恩方;;用水下机器人进行堤坝安全隐患检测[A];泄水建筑物安全及新材料新技术应用论文集[C];2010年
3 王宏健;王琳琳;潘立鑫;;水下机器人近水面横摇与能耗控制[A];中国自动化学会控制理论专业委员会D卷[C];2011年
4 熊华胜;严浙平;;水下机器人水动力系数估计及其在航向鲁棒控制中的应用[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年
5 陈维山;周杨;;仿鳐鱼水下机器人自主游动建模与仿真[A];2011年机械电子学学术会议论文集[C];2011年
6 沈杰;方潇;刘建平;;轮式移动机器人路径跟踪问题的一种简化算法[A];逻辑学及其应用研究——第四届全国逻辑系统、智能科学与信息科学学术会议论文集[C];2008年
7 谢海斌;林龙信;沈林成;;仿生水下机器人仿真系统设计与实现[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
8 李晔;由光鑫;庞永杰;万磊;;水下机器人视景仿真系统的设计[A];全国第16届计算机科学与技术应用(CACIS)学术会议论文集[C];2004年
9 孙斌;张艾群;;液压系统在水下机器人的应用[A];救捞专业委员会2004年学术交流会论文集[C];2004年
10 王学先;霍伟;;移动机器人路径跟踪的临时路径方法[A];2002中国控制与决策学术年会论文集[C];2002年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 陈惠玲;我国引进深海水下机器人“海狮”号[N];中国矿业报;2009年
2 通讯员 金声;水下机器人技术国家级重点实验室竣工[N];中国船舶报;2009年
3 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
4 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
5 记者 罗沙 张旭东;海洋局派出水下机器人,核查溢油处置[N];新华每日电讯;2011年
6 记者 罗沙 张旭东;中国海洋局使用水下机器人核查溢油处置[N];经济参考报;2011年
7 桑恩方 卞红雨;水下机器人为堤坝做B超[N];中国水利报;2005年
8 任馨宇 记者 王春;“海龙号”3500米水下机器人成功用于深海科考[N];科技日报;2009年
9 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
10 胡荣山;上海海事大学水下机器人研究取得最新应用成果[N];中国海洋报;2010年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 向先波;二阶非完整性水下机器人的路径跟踪与协调控制研究[D];华中科技大学;2010年
2 高延增;超小型水下机器人关键性能提升技术研究[D];华南理工大学;2010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 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
5 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
6 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
7 杨立平;舵桨联控式水下机器人容错控制技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
8 曹江丽;水下机器人路径规划问题的关键技术研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
9 梁霄;微小型水下机器人运动控制及可靠性研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
10 王建国;水下机器人运动控制与故障诊断技术研究[D];哈尔滨工程大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 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
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 韩志学;海流作用下水下机器人区域探测规划方法[D];哈尔滨工程大学;2004年
4 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
5 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
6 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
7 王飞;水下机器人在潜艇附近运动时的水动力计算[D];哈尔滨工程大学;2003年
8 李鹏;水下机器人导航系统传感器的仿真[D];哈尔滨工程大学;2004年
9 韩丽洁;水下机器人任务规划技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
10 郑曙光;基于模糊、神经网络技术的水下机器人运动控制的研究[D];哈尔滨工程大学;2003年
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