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抵近观测型AUV组合导航与抗机械手扰动控制技术研究

穆俊辰  
【摘要】:随着全球能源需求量的不断扩大,海底石油管汇的铺设量在急剧攀升,海洋管汇的腐蚀控制对于保证海洋石油工程装备的正常运行具有重要作用。在海洋管汇的腐蚀控制任务中,无缆自治水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)承担抵近阳极块,并对阳极块及其支架进行观测、维护作业等关键任务。在实施抵近观测过程中,机器人姿态的感知和控制对于成功实现作业任务目标具有至关重要的作用。本文首先研究并提出一种基于MEMS器件的抗干扰容错组合导航系统方案,然后针对机械手运动对AUV平台的扰动作用提出了一种前馈补偿的艏向及深度的控制方案,初步的验证表明所提出的导航系统方案和控制策略对于提高AUV在作业过程的技术性能具有较好效果。先分析了为满足海洋管汇腐蚀控制应用需求,AUV应具备的主要性能和技术参数。在此基础上对AUV系统的整体方案进行了设计。然后基于所设计的AUV系统,对其运动学和动力学模型进行了深入分析,为导航系统和运动控制策略的设计奠定了基础。在实际境和实验环境下,磁场干扰可能对AUV姿态参数产生影响,从而导致AUV运动控制效果不理想。为了准确测量AUV系统姿态,本论文提出了一种针对MEMS惯性导航系统的抗干扰容错处理算法,该算法首先对信号残差进行估计,然后通过残差值动态调整局部滤波器置信度,最后通过置信度对不同工作原理的传感器信号进行融合,可以显著提高姿态反馈信号的稳定性和可靠性。在对阳极块以及支架的抵近观测作业中,机械手扰动会对AUV本体的姿态产生干扰,进而影响机械手末端水下摄像机的控制精度和观测效果。本论文在AUV搭载一条四自由度电驱械手的模型下,提出了一种适合艇载片上系统的扰动补偿算法。该算法在有限的传感器条件下,将艏向和深度方向的机械手扰动简化并补偿至控制器的前馈通道,以达到减弱机械手扰动的目的。该算法与传统的理论计算法法扰动抑制效果相当,但计算量小,适合艇载片上系统的实时计算。本论文在完成了AUV控制系统的构建和软件设计后,搭建了AUV样机。并对AUV样机各项功能调试和基础运动实验进行了介绍。然后,在实验室水池环境下对AUV样机进行了艏向和深度方向的阶跃和正弦响应实验,确保了AUV样机的动态性能与仿真模型的一致性。


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