復(fù)雜環(huán)境下自主式水下航行器動(dòng)力定位技術(shù)研究.pdf

1、隨著自主式水下航行器的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，對(duì)其機(jī)動(dòng)性和操縱性的要求也越來越高，在自主式水下航行器執(zhí)行任務(wù)的過程中，不但要求其在環(huán)境擾動(dòng)作用下按照預(yù)定的軌跡運(yùn)動(dòng)，而且在許多情況下需要利用自主式水下航行器對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行更細(xì)致的觀察，這就需要自主式水下航行器相對(duì)于目標(biāo)物的位置保持不變，即要求自主式水下航行器具有能夠抵抗環(huán)境擾動(dòng)的動(dòng)力定位能力。 自主式水下航行器的動(dòng)力定位是一個(gè)復(fù)雜的過程，首先由于自身大小和負(fù)載能力的限制，自主式水下航行器能夠

2、攜帶的測(cè)量設(shè)備的種類和數(shù)量較少，因此獲得的位置和環(huán)境擾動(dòng)信息類型和數(shù)量較少；其次，由于自主式水下航行器本身的體積小、質(zhì)量輕，自身的慣性較小，對(duì)環(huán)境擾動(dòng)的響應(yīng)更為靈敏，自主式水下航行器無法靠自身的慣性抑制對(duì)高頻環(huán)境擾動(dòng)的響應(yīng)。另外，自主式水下航行器的動(dòng)力定位需要控制更多的自由度。 本文在自主式水下航行器的動(dòng)力學(xué)建模研究、環(huán)境擾動(dòng)建模和預(yù)測(cè)研究、復(fù)雜環(huán)境下的自主式水下航行器操縱性靈敏度分析以及動(dòng)力定位控制策略選擇與應(yīng)用等幾個(gè)方面進(jìn)行

3、了研究。本文所進(jìn)行的研究工作和取得的創(chuàng)新性成果主要有： 1)為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)力定位的高精度控制，必須建立自主式水下航行器運(yùn)動(dòng)的精確模型，包括自主式水下航行器在復(fù)雜的環(huán)境中運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的所有環(huán)境因素。在建立復(fù)雜海洋環(huán)境下的自主式水下航行器的動(dòng)力學(xué)模型和空間運(yùn)動(dòng)方程時(shí)，通過公式推導(dǎo)將隨機(jī)海浪和海流的作用力直接加入到運(yùn)動(dòng)方程中，給出了自主式水下航行器在波浪和海流等復(fù)雜環(huán)境下的通用數(shù)學(xué)模型。 2)自主式水下航行器工作環(huán)境中的波浪擾動(dòng)是非

4、常復(fù)雜的隨機(jī)過程，無法使用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型來描述。而為了進(jìn)行自主式水下航行器動(dòng)力定位，需要將波浪擾動(dòng)的信息反饋和前饋到控制系統(tǒng)中以抑制其影響，因此需要對(duì)隨機(jī)海浪擾動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬利預(yù)測(cè)。提出了使用基于波浪譜的數(shù)字濾波器法對(duì)波浪擾動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)，以便于在仿真計(jì)算中使用。同時(shí)針對(duì)自主式水下航行器在實(shí)際工作中波浪譜無法預(yù)知的情況，提出了基于自回歸模型的最小二乘預(yù)測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了隨機(jī)波浪譜和波浪擾動(dòng)的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)。 3)針對(duì)自主式水下航行器實(shí)際工作環(huán)

5、境下波浪的空間分布情況，在當(dāng)前廣泛使用的用測(cè)波浮標(biāo)來進(jìn)行波浪方向分布估計(jì)的方法的基礎(chǔ)上，提出了用自主式水下航行器采集的三維流速信息確定波浪方向分布估計(jì)，實(shí)現(xiàn)了波浪方向譜的實(shí)時(shí)估計(jì)，從而保證自主式水下航行器在動(dòng)力定位過程中能夠以具有最大控制力的主推進(jìn)器抵抗最大的主波向的波浪擾動(dòng)。 4)處于波浪環(huán)境擾動(dòng)作用下的水下航行器，其流體動(dòng)力參數(shù)不是常數(shù)，而是波浪擾動(dòng)頻率的函數(shù)，自主式水下航行器的操縱性受到很大影響。在仿真計(jì)算分析流體動(dòng)力參數(shù)

6、的不確定性對(duì)自主式水下航行器的操縱性的影響的基礎(chǔ)上，提出了自主式水下航行器操縱性對(duì)流體動(dòng)力參數(shù)的靈敏度概念。在一定的操縱性指標(biāo)要求下，通過這些靈敏度信息可以確定對(duì)自主式水下航行器運(yùn)動(dòng)方程中的流體動(dòng)力參數(shù)的準(zhǔn)確度要求，對(duì)于自主式水下航行器的精確建模工作具有重要意義。 5)針對(duì)自主式水下航行器的動(dòng)力學(xué)模型的非線性、強(qiáng)耦合性特點(diǎn)，以及在波浪擾動(dòng)下的流體動(dòng)力參數(shù)的波動(dòng)，同時(shí)為了便于工程實(shí)現(xiàn)，選擇滑模變結(jié)構(gòu)控制作為自主式水下航行器進(jìn)行動(dòng)力

7、定位的控制策略，在分析了執(zhí)行器的速率限制和幅值限制對(duì)滑模變結(jié)構(gòu)控制器的穩(wěn)定性和魯棒性的影響，提出了基于邊界層重構(gòu)的預(yù)濾波器設(shè)計(jì)方法，通過動(dòng)態(tài)改變滑模控制器的邊界層厚度，以適應(yīng)執(zhí)行器的動(dòng)力學(xué)特性，在保證了控制器魯棒性的同時(shí)，當(dāng)環(huán)境擾動(dòng)變化或自主式水下航行器自身參數(shù)產(chǎn)生較大的波動(dòng)時(shí)，有效避免了控制器輸出量過大而超出執(zhí)行器的物理限制，保證了穩(wěn)定性。 6)將波浪擾動(dòng)的預(yù)測(cè)方法和滑?？刂破髟O(shè)計(jì)方法應(yīng)用于某型水下航行器的動(dòng)力定位控制器的設(shè)計(jì)