具有著陸坐底功能的水下自航行器系統(tǒng)控制與試驗(yàn)研究.pdf

1、在國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目資助下,本論文研究開發(fā)了一種新型水下自航行器AUV-VBS(Autonomous Underwater Vehicle withVariable Buoyancy Systems).該系統(tǒng)具有著陸坐底功能、可實(shí)現(xiàn)長時(shí)間水下監(jiān)測,對于海洋動(dòng)力環(huán)境監(jiān)測和軍事領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值.本文以小型化、經(jīng)濟(jì)型為總體設(shè)計(jì)目標(biāo),主要研究了AUV-VBS的動(dòng)力學(xué)仿真、系統(tǒng)控制與功能試驗(yàn),并開發(fā)了原理樣機(jī).系統(tǒng)仿真

2、與試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文研究理論與方法的正確性和有效性.論文主要研究內(nèi)容和成果如下: 1)首創(chuàng)設(shè)計(jì)完成具有可著陸坐底功能的水下自航行器AUV-VBS原理樣機(jī)及其系統(tǒng)控制,并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)航行與著陸坐底功能. 2)建立了AUV-VBS的六自由度動(dòng)力學(xué)模型,通過數(shù)值仿真驗(yàn)證了建模方法的正確性和模型的有效性,并得到了AUV-VBS的一些重要運(yùn)動(dòng)參數(shù).為了設(shè)計(jì)控制器的需要,運(yùn)用解耦和小擾動(dòng)理論,將AUV-VBS一般動(dòng)力學(xué)方程簡化為航速、航

3、向、深度/傾角三個(gè)弱耦合子系統(tǒng),獲得了AUV簡化線性控制模型,并對簡化模型的有效性進(jìn)行仿真驗(yàn)證. 3)將CAN總線引入AUV-VBS控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)了基于CAN總線的分布遞階控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu).制定了CAN總線的應(yīng)用層協(xié)議、并編制了相應(yīng)的系統(tǒng)軟件.提出了完備的軟硬件系統(tǒng)及采用的可靠性措施.本文所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)具有可擴(kuò)展、易移植等特征. 4)針對PID控制器存在的局限性,在研究模糊與非模型滑模控制器的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了滑模

4、模糊控制器,并提出了其時(shí)間次優(yōu)控制的實(shí)現(xiàn)方法.通過系統(tǒng)仿真與試驗(yàn),顯示了滑模模糊控制器所具有的諸多優(yōu)點(diǎn),驗(yàn)證了滑模模糊控制器的控制性能. 5)水下著陸策略是實(shí)現(xiàn)AUV-VBS系統(tǒng)功能的關(guān)鍵技術(shù),本文對AUV-VBS的水下著陸策略進(jìn)行了詳細(xì)系統(tǒng)的研究,提出了四種著陸策略.通過仿真和試驗(yàn)研究總結(jié)了不同著陸策略的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍. 6)針對本文所開發(fā)的AuV-VBS進(jìn)行了大量試驗(yàn),包括實(shí)驗(yàn)室無水條件試驗(yàn)、水域試驗(yàn)、寬水域大深度