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着陆式AUV动力学行为与控制策略研究

杜兵  
【摘要】:AUV是进行海洋环境和资源调查的强有力工具,具有广阔的应用前景。然而有限的能源使得AUV无法长时间工作,为了在能源一定的情况下延长AUV的监测时间,本文进行了着陆式AUV动力学行为与控制策略研究。在着陆式AUV设计基础上,建立了着陆式AUV的动力学模型,分析了运动参数对系统稳定性和机动性的影响,设计了运动控制器并对着陆策略进行了研究,通过大量的水域试验验证了本文理论研究与分析的正确性。该AUV通过注水改变负浮力降落到海底,以实现只保持耗能少的监测传感器工作来延长工作时间的目的。 根据着陆式AUV的功能和设计目标,采用机械结构模块化和控制架构分布式的设计理念,设计了着陆式AUV的样机,实现了在设计速度和深度下的航行、测量、通信及着陆功能。 采用牛顿-欧拉方法建立了着陆式AUV的非线性动力学模型,通过CFD方法和流体动力参数试验获得了表征着陆式AUV特征的流体动力参数,并进行了仿真分析,为运动控制提供了依据。 根据所建立的动力学模型,对着陆式AUV水平面和垂直面内的运动进行了稳定性和机动性分析。在AUV总体外形确定的情况下,建立了基于重心坐标、舵力系数及航速等变量的稳定性曲面函数,以判定上述参数对着陆式AUV系统稳定性的影响;重点分析了舵对AUV运动稳定性的作用,进而用稳定性分析结果指导AUV舵的设计;考虑了航行中AUV运动参数如速度等对稳定性的影响,得出提高速度有利于增强稳定性的结论。 研究了着陆式AUV的运动控制系统,设计了航速、航向及深度控制器。针对PID控制器在水域试验中的局限性,设计了模糊神经网络PID控制器。研究了下潜到近海底注水着陆策略,即将着陆过程分为下潜、拉平、定高直航搜索着陆点和自由下沉四个阶段,进而设计出着陆轨迹。采用视线跟踪与轨迹误差法跟踪上述着陆轨迹,以确保航行过程的稳定性,避免AUV意外触底;同时考虑了海底地形的影响,以确保安全着陆。


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