發(fā)布時間：2017-11-24 22:15

  本文關(guān)鍵詞：水下機(jī)器人建模與魯棒控制研究

  更多相關(guān)文章： 水下機(jī)器人 水動力建模 魯棒控制 H_∞控制

【摘要】：水下機(jī)器人(水下航行器)是海洋資源可持續(xù)開發(fā)利用的重要技術(shù)手段,針對該領(lǐng)域的研究層出不窮。尤其是近年來無人自主水下機(jī)器人(Autonomous Underwater Vehicle, AUV)快速的發(fā)展,AUV正逐漸成為科學(xué)研究和軍事工業(yè)等領(lǐng)域采集觀測海洋環(huán)境特征數(shù)據(jù)的主要運(yùn)載平臺之一。然而,圍繞著提高水下機(jī)器人觀測質(zhì)量和導(dǎo)航定位能力的運(yùn)動控制問題卻是復(fù)雜的。諸如建立水動力模型、提高控制器的魯棒性等核心關(guān)鍵問題都需要同時被提出,并予以綜合解決。對水下機(jī)器人來講,精準(zhǔn)的水動力模型和先進(jìn)的控制方法是提高運(yùn)動性能的兩個關(guān)鍵因素。精準(zhǔn)的水動力模型可以顯著降低模型參數(shù)的不確定性,進(jìn)而提高控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)。然而,建立精準(zhǔn)的水動力模型的代價和成本通常是很高的。尤其是,當(dāng)水下機(jī)器人的外形相對復(fù)雜時,獲取準(zhǔn)確的動力和水動力參數(shù)就顯得更加困難。水下機(jī)器人的水動力特性是有別于陸地機(jī)器人和飛行器的。首先,經(jīng)本研究驗(yàn)證推得,水下機(jī)器人的動力與水動力模型是非線性的。其中,二次阻尼作用使得傳統(tǒng)控制器的性能顯著下降。其次,水下機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用中的動力和水動力特性是不確定的,往往與模型的標(biāo)稱值有較大出入。欠描述的動力特征,部件老化或損壞等原因所引起的模型參數(shù)變化,以及外部環(huán)境風(fēng)、浪、流作用所引起的擾動等,使得實(shí)際被控對象必然的存在諸多不確定性因素。最后,傳感器自身噪聲與外部噪聲的攝入、信號傳輸信道的時間延滯和不可直接測量的重要系統(tǒng)狀態(tài),也嚴(yán)重的干擾了閉環(huán)運(yùn)動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制響應(yīng)能力。在本研究所涉及的數(shù)次水下機(jī)器人競賽中,PID (Proportional Integral Derivative)控制器在微型小質(zhì)量AUV的運(yùn)動控制上,效果表現(xiàn)并不理想。綜上所述,本研究則更多的關(guān)注數(shù)值建模與魯棒控制方法相結(jié)合的思路。本文提出了一種基于水動力模型的魯棒控制方法,并且不失一般性地將該方法應(yīng)用在法國CNRS 6285 (ENSTA Bretagne)實(shí)驗(yàn)室所運(yùn)行的CISCREA型水下機(jī)器人的航向控制器上。關(guān)于水動力模型的建立,本文主張使用WAMIT、MCC、 ANSYS CFX和STAR CCM+等水動力計(jì)算軟件獲取水下機(jī)器人的CFD (Computational Fluid Dynamic)模型。數(shù)值模型的估算過程中,本文重點(diǎn)推算了兩個關(guān)鍵的水動力參數(shù),附加質(zhì)量(Added Mass)和阻尼(Damping)。研究中建立了CISCREA水下機(jī)器人的四自由度模型。針對CISCREA水下機(jī)器人的CFD計(jì)算結(jié)果,本研究還進(jìn)行了試驗(yàn)水池內(nèi)的拖曳實(shí)驗(yàn)對比。而關(guān)于運(yùn)動控制,本研究則提出基于水動力模型的魯棒控制方法。其方法的核心是利用帶有不確定性和非線性的CFD水動力模型計(jì)算補(bǔ)償非線性阻尼作用所需的推進(jìn)扭矩,從而在控制器的角度上,推得一個帶有不確定性的線性水下機(jī)器人模型作為魯棒控制器設(shè)計(jì)的被控對象。而針對帶有不確定性的線性被控對象,本研究再引入H∞魯棒控制理論來解決不確定性所引起的魯棒控制問題。H∞魯棒控制器能夠保證對涵蓋所有不確定性因素的被控對象族群,都能滿足閉環(huán)控制的魯棒性條件,即：閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定,且控制性能達(dá)標(biāo)。實(shí)際應(yīng)用中,本研究還補(bǔ)充了基于水動力模型的卡爾曼濾波器來估計(jì)帶噪聲且不可直接測量的系統(tǒng)狀態(tài),如電磁羅盤傳感器的艏搖角度輸出和水下機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)角速度。更進(jìn)一步地,本研究還使用了多種延遲補(bǔ)償方法構(gòu)建了基于水動力模型的延遲補(bǔ)償器,用以抑制補(bǔ)償CISCREA水下機(jī)器人電磁羅盤0.5s信號傳輸延遲所引起的控制器穩(wěn)定性下降的問題。本研究方法綜合所得的CISCERA魯棒航向控制器,經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)水池與海上試驗(yàn)(布雷斯特港口)的驗(yàn)證,也成功應(yīng)用于水下機(jī)器人對抗賽SAUCE 2014和euRathlon 2014上。本文控制方案具有諸多優(yōu)點(diǎn),首先,魯棒航向控制器較經(jīng)典PID控制器更為快速且準(zhǔn)確,沒有明顯超調(diào)量,對不確定性影響(噪聲,外部擾動,模型參數(shù)變化)不敏感。其次,CISCREA魯棒航向控制器允許僅使用一個電磁羅盤作為閉環(huán)控制的反饋傳感器,此舉減少了反饋傳感器尤其是聲吶等設(shè)備地使用。應(yīng)用本方法水下機(jī)器人的自身制造成本將極大的降低,水下機(jī)器人群體研究對高價硬件的依賴也應(yīng)相應(yīng)減少,這有利于推進(jìn)(Swarm)群體研究的開展。更重要的是,控制航向僅使用電磁羅盤對AUV在深海工作也是極為重要的。在深海超過特定深度時,除電磁場和聲波之外的其他信號將急劇衰減,獲取其他環(huán)境參數(shù)的代價將非常之高。最后,控制器角度上的線性不確定模型相較于非線性動力模型更為簡化,這也使得相應(yīng)的導(dǎo)航定位質(zhì)量在算法上得到提高。
【學(xué)位授予單位】：中國海洋大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：U674.941

【相似文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 任福君,張嵐,王殿君,孟慶鑫;水下機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀[J];佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2000年04期

2 ;水下機(jī)器人[J];軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品;2002年03期

3 成巍 ,蘇玉民 ,秦再白 ,萬磊 ,徐玉如;一種仿生水下機(jī)器人的研究進(jìn)展[J];船舶工程;2004年01期

4 武建文,李德成;海洋水下機(jī)器人電動機(jī)分析[J];微特電機(jī);2004年04期

5 陳開權(quán);美國開發(fā)的新型水下機(jī)器人[J];水雷戰(zhàn)與艦船防護(hù);2005年03期

6 翟宇毅,劉亮,龔振邦;超小型水下機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及若干問題探討[J];機(jī)床與液壓;2005年02期

7 曾妮;杭觀榮;曹國輝;王振龍;;仿生水下機(jī)器人研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢[J];機(jī)械工程師;2006年04期

8 胡志強(qiáng);林揚(yáng);谷海濤;;水下機(jī)器人粘性類水動力數(shù)值計(jì)算方法研究[J];機(jī)器人;2007年02期

9 徐玉如;蘇玉民;;關(guān)于發(fā)展智能水下機(jī)器人技術(shù)的思考[J];艦船科學(xué)技術(shù);2008年04期

10 ;機(jī)器人[J];機(jī)械工程師;2008年08期

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 徐玉如;;智能水下機(jī)器人技術(shù)的展望[A];面向21世紀(jì)的科技進(jìn)步與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展（上冊）[C];1999年

2 桑恩方;;用水下機(jī)器人進(jìn)行堤壩安全隱患檢測[A];泄水建筑物安全及新材料新技術(shù)應(yīng)用論文集[C];2010年

3 王建國;吳恭興;孫玉山;萬磊;龐永杰;;水下機(jī)器人容錯控制研究[A];第十四屆中國海洋（岸）工程學(xué)術(shù)討論會論文集（上冊）[C];2009年

4 翟宇毅;劉亮;張瑞勇;羅煥新;;一種新型超小型水下機(jī)器人的控制器設(shè)計(jì)[A];中國電子學(xué)會電子機(jī)械工程分會2009年機(jī)械電子學(xué)學(xué)術(shù)會議論文集[C];2009年

5 黃東武;暴景陽;桑金;;水下機(jī)器人雙頻識別聲吶系統(tǒng)應(yīng)用研究[A];第二十一屆海洋測繪綜合性學(xué)術(shù)研討會論文集[C];2009年

6 賴立明;;自治式無纜水下機(jī)器人加速度控制[A];1992年中國控制與決策學(xué)術(shù)年會論文集[C];1992年

7 ;我國設(shè)計(jì)生產(chǎn)的水下機(jī)器人裝備海軍[A];中國航海學(xué)會救撈專業(yè)委員會99年優(yōu)秀論文選[C];1999年

8 徐國華;童劍;段國強(qiáng);潘小炬;;水下機(jī)器人漏水檢測系統(tǒng)研究[A];2004年船舶與海洋工程學(xué)術(shù)研討會論文集[C];2004年

9 常文田;孫玉山;毛宇峰;梁霄;;水下機(jī)器人模糊自尋優(yōu)控制器的設(shè)計(jì)[A];全國自動化新技術(shù)學(xué)術(shù)交流會會議論文集（一）[C];2005年

10 王波;蘇玉民;于憲釗;;水下機(jī)器人操縱運(yùn)動水動力計(jì)算與仿真[A];2008年船舶水動力學(xué)學(xué)術(shù)會議暨中國船舶學(xué)術(shù)界進(jìn)入ITTC30周年紀(jì)念會論文集[C];2008年

中國重要報(bào)紙全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 袁躍東;先河獨(dú)開的《水下機(jī)器人》[N];光明日報(bào);2001年

2 劉軍;印度研制水下機(jī)器人[N];人民日報(bào);2003年

3 袁躍東;水下機(jī)器人先河獨(dú)開的奠基宏篇[N];中華讀書報(bào);2001年

4 黃建高;天津水下機(jī)器人研制成功[N];西部時報(bào);2008年

5 本報(bào)記者 錢秀麗;探秘中國水下機(jī)器人[N];中國海洋報(bào);2008年

6 通訊員 張洪駿 本報(bào)記者 楊莉;水下機(jī)器人:海上打撈救助新武器[N];中國交通報(bào);2012年

7 記者 李儼兒 通訊員 吉娜;上海海事大學(xué)研發(fā)成功新型水下機(jī)器人[N];中國船舶報(bào);2013年

8 記者 李琴;點(diǎn)燃水下機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化熱情[N];中國船舶報(bào);2013年

9 通訊員 杜興民 記者 沈謙;七0五所成功研制出“水下機(jī)器人”[N];陜西日報(bào);2014年

10 林鷹 一平;水下機(jī)器人成為掃雷高手[N];中國船舶報(bào);2004年

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 潘立鑫;水下機(jī)器人近水面橫遙減搖控制策略研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2010年

2 楊睿;水下機(jī)器人建模與魯棒控制研究[D];中國海洋大學(xué);2015年

3 劉和平;淺水水下機(jī)器人設(shè)計(jì)與控制技術(shù)工程研究[D];上海大學(xué);2009年

4 高延增;超小型水下機(jī)器人關(guān)鍵性能提升技術(shù)研究[D];華南理工大學(xué);2010年

5 林龍信;仿生水下機(jī)器人的增強(qiáng)學(xué)習(xí)控制方法研究[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2010年

6 王玉甲;水下機(jī)器人智能狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2006年

7 姜大鵬;多水下機(jī)器人協(xié)調(diào)控制技術(shù)研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2011年

8 楊立平;舵槳聯(lián)控式水下機(jī)器人容錯控制技術(shù)研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2010年

9 溫秀平;水下機(jī)器人特性分析及其控制方法研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2012年

10 常文君;基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多水下機(jī)器人協(xié)調(diào)控制方法研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2004年

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 季東軍;模塊化水下機(jī)器人及其故障診斷研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2008年

2 崔寅;基于模糊神經(jīng)算法的帶纜遙控水下機(jī)器人控制系統(tǒng)建模與仿真研究[D];華南理工大學(xué);2010年

3 段三軍;一種小型開架式水下機(jī)器人系統(tǒng)的研制[D];北京郵電大學(xué);2011年

4 胡明茂;開架式水下機(jī)器人系統(tǒng)辨識與控制技術(shù)研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2007年

5 姚華俊;水下機(jī)器人的部件原理探究以及工程運(yùn)用分析[D];上海交通大學(xué);2007年

6 葉志堅(jiān);水下機(jī)器人多自由度控制下水動力響應(yīng)的多重滑移網(wǎng)格技術(shù)分析[D];華南理工大學(xué);2015年

7 郭楠;水下機(jī)器人3-RRR矢量推進(jìn)球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究[D];山東大學(xué);2015年

8 李冠男;基于圖論法的多水下機(jī)器人編隊(duì)控制研究[D];沈陽理工大學(xué);2015年

9 眭翔;面向海洋工程水下結(jié)構(gòu)檢測的ROV研制及運(yùn)動控制研究[D];江蘇科技大學(xué);2015年

10 鄧巖;新型噴水推進(jìn)式水下機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究[D];北京理工大學(xué);2015年

，

本文編號：1223794