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无人水下航行器姿态控制策略研究

阚如文  
【摘要】:无人水下航行器(Unmanned Underwater Vehicle,UUV)是一种具有视觉和感知系统,能够通过遥控或自主操作方式在水下移动完成某些特定任务的小型自航载体,利用UUV可以完成深海探测,海洋资源开发以及军事上海洋作战等任务。这就要求UUV具有高度的自主性、精确的控制和较强跟踪能力。由于UUV本身的六自由度强耦合非线性特点,难以获得精确的流体动力系数,复杂的水况带来的不确定性外部干扰以及由于负载和作业的变化引起的摄动等影响,这使得一般的控制器很难完成UUV的控制任务。因此,设计具有强鲁棒性的控制器是设计UUV自主航行的关键。 本文对UUV的航行姿态控制策略进行了一系列研究,具体研究工作如下: (1)首先建立UUV空间运动坐标系,通过体坐标系和地面坐标系之间的转换关系推导出UUV的运动学方程;分析刚体动力学,根据动量和动量矩定理推导出动力学方程,最后建立UUV运动的数学模型,针对数学模型中含有非线性强耦合等不确定项,将UUV数学模型按照运动平面解耦简化为纵向运动模型和侧向运动模型。 (2)研究了模糊控制器、滑模控制器以及它们组合的控制策略,为了提高控制性能,采用改进模糊控制器隶属度函数的方法设计改进的模糊滑模控制器,针对模糊控制输出的比例因子难以确定,为了更好削弱抖振,设计辅助模糊控制器来自适应调整比例因子,称为自适应模糊滑模控制。接着采用Simulink软件搭建了仿真模型,通过实例仿真分析了这几类控制器的控制性能和鲁棒性。仿真实验表明,改进的模糊滑模控制和自适应模糊滑模控制器都无稳态误差,超调量小,调节时间短,有较强抗干扰能力,具有较好的鲁棒性。 (3)采用模糊滑模控制策略对无人水下航行器的纵向运动控制模型进行了分析,研究了水下航行器深度和俯仰角的准滑模控制、传统模糊滑模控制、改进的模糊滑模控制和自适应模糊控制的控制性能和鲁棒性;对侧向运动的航向角控制采用改进的模糊滑模控制算法,即利用滑模带宽度阈值大小来判断采用指数趋近律滑模控制和模糊滑模控制,比常规的滑模控制更有效。 (4)轴向运动控制在UUV精确控制中起着至关重要的作用,主要包括速度和位置跟踪控制。在建立的轴向运动模型的状态方程中,状态变量为轴向来流速度和螺旋桨转速,输入量为电机施加扭矩,螺旋桨推力和转矩为输出,并采用非线性观测器和自适应反演滑模控制算法来分析是否考虑轴向来流速度对螺旋桨的影响,最终实现精确的位置和速度跟踪控制。 最后,采用本文的控制策略对无人水下航行器的航行姿态进行控制,通过实验仿真取得满意的控制效果,表明该控制策略是有效可行的,具有较高控制性能。


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