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具有着陆坐底功能的水下自航行器系统控制与试验研究

侯巍  
【摘要】: 在国家高技术研究发展计划(863计划)项目资助下,本论文研究开发了一种新型水下自航行器AUV-VBS(Autonomous Underwater Vehicle with Variable Buoyancy Systems)。该系统具有着陆坐底功能、可实现长时间水下监测,对于海洋动力环境监测和军事领域具有重要的应用价值。本文以小型化、经济型为总体设计目标,主要研究了AUV-VBS的动力学仿真、系统控制与水域试验,并开发了原理样机。系统仿真与试验结果验证了本文研究理论与方法的正确性和有效性。论文主要研究内容和成果如下: 1)首创设计完成具有可着陆坐底功能的水下自航行器AUV-VBS原理样机及其系统控制,并实现系统航行与着陆坐底功能。 2)建立了AUV-VBS的六自由度动力学模型,通过数值仿真验证了建模方法的正确性和模型的有效性,并得到了AUV-VBS的一些重要运动参数。为了设计控制器的需要,运用解耦和小扰动理论,将AUV-VBS一般动力学方程简化为航速、航向、深度/倾角三个弱耦合子系统,获得了AUV简化线性控制模型,并对简化模型的有效性进行仿真验证。 3)将CAN总线引入AUV-VBS控制系统硬件设计,设计了基于CAN总线的分布递阶控制系统体系结构。制定了CAN总线的应用层协议、并编制了相应的系统软件。提出了完备的软硬件系统及采用的可靠性措施。本文所设计的控制系统具有可扩展、易移植等特征。 4)针对PID控制器存在的局限性,在研究分析非模型滑模控制器的基础上,设计了滑模模糊控制器,并提出了其时间次优解的实现方法。通过系统仿真与试验,显示了滑模模糊控制器所具有的诸多优点,验证了滑模模糊控制器的控制性能。 5)水下着陆策略是实现AUV-VBS系统功能的关键技术,本文对AUV-VBS的水下着陆策略进行了详细系统的研究,提出了四种着陆策略。通过仿真和试验研究总结了不同着陆策略的优缺点及适用范围。 6)针对本文所开发的AUV-VBS进行了大量试验,包括实验室无水条件试验、水域试验、宽水域大深度试验和海试。采用系统仿真与试验结合的方法,进行了系统的试验研究。该试验不仅验证了本文研究理论与方法的正确有效性,而且得出了很多具有理论与实用价值的结论。


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