【摘要】：海洋蘊藏著豐富的能源、礦產(chǎn)和生物資源,是一個擁有巨大發(fā)展?jié)摿Φ目臻g,特別是進入21世紀,逐漸成為世界關(guān)注的焦點之一。探索和開發(fā)海洋歸根結(jié)底需要專業(yè)化、智能化的海洋工程裝備,自主水下機器人AUV(Autonomous Underwater Vehicle)作為海洋工程裝備的一支生力軍,目前正向著更深、更廣的海洋空間邁進。智能運動控制技術(shù)是AUV核心技術(shù)之一,但由于外部復雜多變的海洋環(huán)境、本體的非線性水動力系數(shù)、艇載推進器的動力學延滯及輸入飽和特性、加之大范圍內(nèi)變速精細探測需求,使得AUV位形切換下運動控制問題非常具有挑戰(zhàn)性。因此,本文開展基于模糊逼近補償法的AUV位形切換飽和跟蹤控制研究具有重要的理論和迫切的實用價值。本文在充分調(diào)研國內(nèi)外關(guān)于AUV航跡跟蹤控制方面研究成果的基礎(chǔ)上,結(jié)合探測作業(yè)型AUV的運動特點,總結(jié)出輸入飽和及動力學延滯約束下AUV位形切換路徑跟蹤控制為本文研究目標,以實驗室AUV樣機為研究對象,通過運動建模、算法設(shè)計、理論分析與對比仿真等手段,從二維解耦控制到三維耦合控制、從欠驅(qū)動位形到多位形切換,系統(tǒng)性地開展相關(guān)研究工作,綜合解決系統(tǒng)不確定性、輸入飽和、動力學延滯和位形切換耦合作用下樣機路徑跟蹤控制難題。本文的創(chuàng)新點及研究內(nèi)容如下:(1)完整AUV動力學建模以及基于操縱性預報的推進性能評估:在現(xiàn)有AUV一般性動力學建模基礎(chǔ)上,細化了本文研究對象AUV樣機全航速域內(nèi)舵面、主推及輔推等艇載驅(qū)動執(zhí)行器的推進模型,特別是輔推推力隨前向速度的非線性建模,并考慮了執(zhí)行器固有的輸入飽和以及動力學延滯雙重特性�；谕暾腁UV樣機動力學模型,分別完成了全航速域內(nèi)舵面和輔推作用下的操縱預報以及推進性能評估,由此確定出高速欠驅(qū)動和低速全驅(qū)動分別對應(yīng)的航速區(qū)間,設(shè)計光滑的執(zhí)行器“邏輯切換流”橋接高速與低速之間過渡航速帶,為后續(xù)位形切換提供數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。(2)基于模糊逼近補償法的魯棒有界自適應(yīng)路徑跟蹤控制器:從航速域內(nèi)驅(qū)動位形最大交集對應(yīng)的欠驅(qū)動模式出發(fā),考慮了舵機輸出動力學誘發(fā)的力矩“延滯”特性,其使得動力學系統(tǒng)階數(shù)提高,為此,基于時變視線制導和反饋線性反步法設(shè)計了依賴于模型參數(shù)的高階路徑跟蹤控制器。然后,基于上述一致框架,利用自適應(yīng)模糊逼近和自適應(yīng)誤差估計技術(shù)解決了系統(tǒng)不確定性和反步高階復雜計算等難題,避免了對水動力學參數(shù)的依賴,同時避免了動力學特性誘發(fā)的高階反步計算及其潛在的控制輸出抖動行為。接著,在上述一致框架中引入抗執(zhí)行器飽和的自適應(yīng)模糊補償器,消除欠驅(qū)動路徑跟蹤時輸入飽和“截斷”誘發(fā)的潛在失穩(wěn)行為。最后,不同控制器以及與經(jīng)典模型的對比仿真驗證了所設(shè)計的魯棒有界自適應(yīng)控制器較優(yōu)的控制品質(zhì)。(3)位形切換下AUV樣機魯棒有界自適應(yīng)跟蹤控制:考慮前向速度變化需求誘發(fā)的位形切換難題,設(shè)計了俯仰主動控制和垂向被動控制的理念,完成了歸一化的AUV樣機位形切換跟蹤控制架構(gòu)設(shè)計�；谇笆瞿：平a償法設(shè)計了變速前向速度跟蹤控制器和歸一化俯仰力矩自適應(yīng)控制器。依據(jù)光滑的執(zhí)行器“邏輯切換流”和歸一化飽和俯仰力矩設(shè)計了光滑有界的“推力分配流”,再融合垂向推力被動控制理念,設(shè)計閾值分析和滑動分配策略,確保水平舵和艏艉垂推指令分配的唯一性與有界性,實現(xiàn)“不失真”的位形切換,從而使得AUV控制的穩(wěn)定性相對獨立于執(zhí)行器的切換。不同初始狀態(tài)和突變環(huán)境干擾下的對比仿真驗證了所設(shè)計的二維垂直面位形切換控制器作用下AUV樣機位姿跟蹤誤差的漸近穩(wěn)定性和推進按需有界分配的特性。(4)基于改良視線制導的級聯(lián)式三維路徑精確跟蹤和位形切換控制:針對三維空間多變量非線性耦合難點,設(shè)計以運動學制導和動力學跟蹤為前后子系統(tǒng)的級聯(lián)式控制架構(gòu),避免了全系統(tǒng)反步設(shè)計時高階導數(shù)以及空間曲率和撓率計算。在運動學制導階段,引入移動的空間路徑坐標系,消除了空間Serrent-Frenet坐標系第三次額外繞x軸旋轉(zhuǎn)的耦合效應(yīng)。設(shè)計了空間坐標變換“等價原理”修正傳統(tǒng)的三維視線制導律,精確地闡明了方向角和姿態(tài)角之間非線性耦合關(guān)系。再輔以Lyapunov技術(shù),最終將多變量空間耦合下的位置誤差“解耦”成角速度誤差。進而,可將二維飽和跟蹤控制律直接移植到三維路徑跟蹤中,完成三維動力學控制器的快速設(shè)計�；诖死砟�,在二維控制器設(shè)計的基礎(chǔ)上,依次解決了多變量空間耦合下AUV樣機三維路徑精確跟蹤以及位形切換控制研究,并予以級聯(lián)穩(wěn)定性分析,以及與經(jīng)典PID控制器之間、不同初始狀態(tài)下、突變環(huán)境干擾下的對比仿真驗證。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：U674.941
【圖文】：

很大程度上歸咎于海洋工程裝備及技術(shù)的不足。水下機器人作為一種智能型和復合型的海洋作業(yè)工具，解除了潛水員在作業(yè)深度和作業(yè)環(huán)境的約束。相比于有纜遙控水下機器人 ROV（Remotely Operated Vehicle），自主水下機器人 AUV（Autonomous Underwater Vehicle）不拖帶電纜，具有無人駕駛航行、智能化程度高、監(jiān)測范圍靈活以及隱蔽性強等特點，投放入水后好似一個英雄勇敢地完成賦予的海洋作業(yè)任務(wù)。如圖 1-1（a）所示，是 20 世紀末我國首臺 AUV 原理樣機“探索者”，圖 1-1（b）所示則展示了 21 世紀初美國 REMUS 家族系列中最大深潛 AUV“REMUS 6000”�；仡� AUV 這數(shù)十年的發(fā)展，我們見證了 AUV 從無到有、從少量研制到產(chǎn)品開發(fā)的年輕歷程�？梢哉f，現(xiàn)如今 AUV 已逐漸成為水下機器人領(lǐng)域的重要分支、探索偌大海洋的一支生力軍，在民事、商業(yè)和軍事領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用[5]-[10]。譬如，包括但不局限于協(xié)助潛水員[11]、環(huán)境評估[12]、水下信息采樣[13]、熱液噴口探測[14]、區(qū)域搜索[15]、壩面裂痕檢測[16][17]、海床測繪[18]、海底管道和光纜的跟蹤檢測[19]-[21]、水下干預[22]等。

華 中 科 技 大 學 博 士 學 位 論 文從二維和三維兩方面來回顧經(jīng)典的理想航跡跟蹤控制：（1）二維航跡跟蹤控制二維的 AUV 理想跟蹤控制器設(shè)計類似于水面無人艇 USV（Unmanned SurfaceVehicle），歸咎于它們在水平面運動時均有進退、橫移和偏航三個自由度，控制輸入往往只有一個艉推和一個垂直舵，無法獨立產(chǎn)生側(cè)向橫移推力，故它們屬于一類典型的欠驅(qū)動系統(tǒng)。為此，傳統(tǒng)的 USV 自動駕控系統(tǒng)無法直接控制其側(cè)向位置偏差，而是通過航向控制從而達到間接控制位置和航向的雙重目標。由此可見，側(cè)向位置偏差向航向偏差的轉(zhuǎn)化是這類欠驅(qū)動系統(tǒng)首先需要解決的問題，比較常用的兩種轉(zhuǎn)化方法包括視線制導法和向量場法，如圖 1-2 所示。

【參考文獻】

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本文編號：2738552