自主式水下航行器的模塊化建模與控制.pdf

1、自主式水下航行器(AUV，Autonomous Underwater Vehicle)是一種能夠在水下航行的機(jī)器人，它通過(guò)自身裝載的推進(jìn)器提供動(dòng)力，其自帶的計(jì)算機(jī)利用由各種傳感器收集到的相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)自主控制、完成預(yù)設(shè)任務(wù)。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，AUV的相關(guān)技術(shù)不斷提高，在科學(xué)，軍事，石油工業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用不斷擴(kuò)大。憑借其巨大的應(yīng)用前景，以及與傳統(tǒng)的海洋探索、勘測(cè)手段相比，大幅提高的性價(jià)比，許多國(guó)家和科研院所對(duì)AUV的研究、開(kāi)發(fā)投入了大量的

2、人力、物力。 建立AUV的動(dòng)力學(xué)模型是對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制的基礎(chǔ)，本文針對(duì)采用Myring型外形輪廓的AUV提出一種模塊化建模方法，以實(shí)現(xiàn)快速便捷的建模。對(duì)得到的AuV動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行線性化處理，針對(duì)線性模型設(shè)計(jì)PID控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)AUV的運(yùn)動(dòng)控制。本文的主要工作如下。 首先，分析AUV的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。描述AUV的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)需要兩個(gè)坐標(biāo)系，慣性坐標(biāo)系和船體固定坐標(biāo)系。慣性坐標(biāo)系用于描述AuV的位置和方向，船體固定坐標(biāo)系用于描述AU

3、V的速度。推導(dǎo)出兩個(gè)坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系，利用牛頓力學(xué)第二定律，并把AuV看作為剛體，經(jīng)過(guò)一系列的推導(dǎo)，可以得到AUV的一般運(yùn)動(dòng)模型。 接著，在運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，分析各個(gè)具體的外力。AUv的外力主要包括流體靜力，流體動(dòng)力以及推進(jìn)器產(chǎn)生的動(dòng)力。其中，流體靜力包括AUV的重力和自身所受到的浮流力。流體動(dòng)力主要包括阻力，升力和附加質(zhì)量。推進(jìn)器通過(guò)螺旋槳產(chǎn)生推力的同時(shí)，會(huì)附帶產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)矩。 然后，提出針對(duì)采用Myring型外形

4、輪廓的AUV的模塊化建模法。根據(jù)模塊化思路，結(jié)合流體力學(xué)理論、經(jīng)驗(yàn)公式，確定對(duì)AUV模塊化的具體方法，以及需要從各個(gè)模塊得到的基本數(shù)據(jù)。根據(jù)這些基本數(shù)據(jù)，利用經(jīng)驗(yàn)公式、節(jié)片理論，制定出計(jì)算整個(gè)AUV所受的各個(gè)分力或相關(guān)系數(shù)的具體方法。之后，利用這種模塊化的方法計(jì)算確定AuV的完整動(dòng)力學(xué)模型。為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，采用AUV“Starfish”的具體數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬仿真，并把得到的結(jié)果與采用Prestero的模型得到的結(jié)果進(jìn)行比較。 最