新型碟形水下機(jī)器人及其航姿預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)研究.pdf

1、近些年來(lái)隨著地上資源的逐漸短缺,占據(jù)地球表面積71％的海洋空間成為了各國(guó)家關(guān)注的焦點(diǎn)。水下機(jī)器人作為一種涉及多個(gè)學(xué)科技術(shù)的科研成果對(duì)于海洋開發(fā)以及鞏固海疆有著不可或缺的作用。在復(fù)雜的海洋環(huán)境當(dāng)中,水下機(jī)器人如何進(jìn)行自主、穩(wěn)定及高效的運(yùn)行已經(jīng)成為行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。水下機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和控制方法則是保障和提高水下機(jī)器人應(yīng)用的核心技術(shù)。研究水下機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及控制方法將對(duì)加速水下機(jī)器人的實(shí)用化、工程化進(jìn)程起著不可估量的作用。
　　水下機(jī)器人是一

2、種多輸入多輸出、強(qiáng)非線性、時(shí)變、大慣性系統(tǒng)。廣義預(yù)測(cè)控制算法已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,但是將其應(yīng)用到該系統(tǒng)中需要有一個(gè)良好的預(yù)測(cè)模型為前提。本文提出了一種新型的水下機(jī)器人,并將該機(jī)器人作為研究對(duì)象,對(duì)廣義預(yù)測(cè)控制算法在其航姿控制上的應(yīng)用做了相應(yīng)的研究工作。首先在介紹和分析機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行模式的基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)理建模獲得了該機(jī)器人的水動(dòng)力方程。通過FLUENT水動(dòng)力仿真軟件對(duì)機(jī)器人進(jìn)行仿真。在水下機(jī)器人的水動(dòng)力性能的方面,考慮到水下機(jī)器人上的

3、進(jìn)水孔結(jié)構(gòu)可能帶來(lái)的水動(dòng)力影響,通過相關(guān)理論上對(duì)開孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性分析,排除了該問題的影響。采用RNGk-ε湍流模型,用數(shù)值手段模擬了橢球體及碟形體斜航性能。同時(shí),采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)數(shù)值計(jì)算了橢球體及碟形體的PMM試驗(yàn)運(yùn)動(dòng),得到水下機(jī)器人的幾個(gè)主要的水動(dòng)力系數(shù)。通過橢球體水動(dòng)力系數(shù)與勢(shì)流理論面元法結(jié)果的比較,驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算的可行性與準(zhǔn)確性,對(duì)比驗(yàn)證該新型水下機(jī)器人具有良好的靈活性、穩(wěn)定性及水動(dòng)力性能強(qiáng)的特點(diǎn)。
　　在以上研究的基礎(chǔ)上對(duì)機(jī)

4、器人的水動(dòng)力外形進(jìn)行了優(yōu)化。通過進(jìn)行機(jī)器人水動(dòng)力運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)獲得的水下機(jī)器人的水動(dòng)力參數(shù),結(jié)合水動(dòng)力方程進(jìn)行了相應(yīng)的線性化簡(jiǎn)化,得到了最終的水下機(jī)器人水動(dòng)力方程。
　　在簡(jiǎn)要分析了支持向量的原理和利用支持向量機(jī)辨識(shí)系統(tǒng)模型的可行性后,本文針對(duì)水下機(jī)器人強(qiáng)非線性、模型參數(shù)復(fù)雜且不易于得到的狀況,提出了基于支持向量機(jī)回歸理論,通過多輸入多輸出辨識(shí)碟形水下機(jī)器人系統(tǒng)控制模型的方法,而后對(duì)支持向量機(jī)參數(shù)的尋優(yōu)方案作出了分析和比較。針對(duì)保證

5、精度并控制計(jì)算量和駐點(diǎn)問題,提出了采用多窗口網(wǎng)格尋優(yōu)得到支持向量機(jī)最優(yōu)參數(shù)的方法。為了使系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)適應(yīng)復(fù)雜多變的工作環(huán)境,采用在線辨識(shí)不斷修正系統(tǒng)的預(yù)測(cè)模型。引用Logistic人口模型來(lái)對(duì)舊數(shù)據(jù)表進(jìn)行加權(quán)剔除,并將新數(shù)據(jù)映射到高維空間判斷其與原有系統(tǒng)的線性相關(guān)性來(lái)進(jìn)行篩選有效數(shù)據(jù),以此實(shí)現(xiàn)對(duì)模型修正。通過該方法解決了支持向量機(jī)在線應(yīng)用中遇到的稀疏性差以及大量數(shù)據(jù)重新辨識(shí)的計(jì)算問題。而后分別對(duì)在線辨識(shí)和離線辨識(shí)的效果還有辨識(shí)誤差大小和

6、控制情況的優(yōu)劣進(jìn)行了比較,驗(yàn)證了該在線辨識(shí)方法獲得的模型的預(yù)測(cè)能力。
　　為了解決水下機(jī)器人大慣性的滯后問題,提出了碟形水下機(jī)器人的廣義預(yù)測(cè)控制算法?？紤]到碟形水下機(jī)器人是一個(gè)多輸入多輸出的非線性系統(tǒng),需要簡(jiǎn)化模型辨識(shí)問題和避免模型預(yù)測(cè)中的大量矩陣運(yùn)算,由于支持向量機(jī)辨識(shí)得到的系統(tǒng)仍然是一個(gè)具有支持向量機(jī)結(jié)構(gòu)的非線性系統(tǒng),為了便于系統(tǒng)控制,利用多元函數(shù)泰勒展開將基于支持向量機(jī)的非線性系統(tǒng)瞬時(shí)線性化,得到系統(tǒng)的差分方程。從而提出了針

7、對(duì)該碟形水下機(jī)器人的在線自適應(yīng)多輸入多輸出廣義預(yù)測(cè)控制算法。
　　文章對(duì)支持向量機(jī)廣義預(yù)測(cè)控制分別建立航向、橫搖和縱搖的三個(gè)輸出控制模型。利用水下機(jī)器人技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的水下機(jī)器人試驗(yàn)水池進(jìn)行了定航向、定橫搖角以及俯仰S型機(jī)動(dòng)實(shí)驗(yàn),測(cè)試了該機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性能。并且與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和水動(dòng)力仿真建立的模型所得到的控制效果分別進(jìn)行比較,對(duì)比了三種控制方法在碟形水下機(jī)器人的控制效果,驗(yàn)證了本文提出的的自適應(yīng)航姿控制算法在該非線性系統(tǒng)上的良好