本文關鍵詞：基于矢量推進AUV的航行體運動控制研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：自主水下航行器(AUV,Autonomous Undersea Vehicle)在軍用方面和民用方面都有廣泛的應用前景。由于水下環(huán)境的復雜性以及不確定性,自主水下航行器已經(jīng)成為代替人類進行水下探測、水下施工、水下救助和打撈等領域的重要工具,具有巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。目前,自主水下航行器大多以舵控制為主,通過舵與水流的相互作用來改變航行器的姿態(tài)。AUV在高速巡航狀態(tài)下,這種以舵作為控制輸入的方式控制效果較好,但AUV低速航行時,舵的控制效率很低,機動性差。在零速狀態(tài)下,舵甚至會失去控制效果。并且,下潛過程中,以舵作為控制輸入的AUV容易出現(xiàn)螺旋槳飛車現(xiàn)象,在獲得俯仰力矩的同時造成推進力失效,且要克服AUV正浮力產(chǎn)生的力矩,因此低速下往往很難完成下潛動作。針對這些情況,本文研究了一種矢量推進器,它通過改變螺旋槳的方向來產(chǎn)生一個空間矢量推力,并由推力的分量提供AUV所需的操控力和操控力矩,代替了傳統(tǒng)的操舵方式。以這種矢量推進器作為控制輸入的AUV在高速和低速下都具有較好的控制效果,理想情況下,在零速狀態(tài)下AUV仍具有較好的控制效果。因此,無論工作在高速狀態(tài)還是低速狀態(tài)下,這種矢量推進AUV都具有良好的機動性和靈活性。此外,下潛過程中,由于螺旋槳向下偏轉,以矢量推進器作為控制輸入的AUV獲得俯仰力矩的同時也能得到有效的推進力,一段時間內(nèi)可以保持推進力始終有效,增加了推進力的作用時間,且可以通過提高螺旋槳轉速增大下潛時的俯仰力矩,來克服AUV正浮力產(chǎn)生的力矩。因此低速下可以很容易完成下潛動作。本文主要的研究內(nèi)容及創(chuàng)新點主要有以下幾個方面:一、首先,建立矢量推進AUV的數(shù)學模型。根據(jù)矢量推進器的結構及工作原理,對這種矢量推進方式下的AUV進行動力學和運動學分析,基于經(jīng)典的動量和動量矩定理,建立矢量推進AUV的數(shù)學模型。采用解耦原理,將AUV的空間運動分解為垂直平面的縱向運動和水平面的側向運動,并推導出AUV在巡航狀態(tài)下縱向運動和側向運動的線性化方程。二、其次,對矢量推進AUV的操縱性進行了分析。采用小擾動原理,根據(jù)得到的矢量推進AUV空間運動的線性化方程,推導矢量推進AUV縱平面運動和側平面運動的擾動方程,進而得到矢量推進AUV各個運動參數(shù)的傳遞函數(shù)。然后對這種矢量推進AUV縱平面運動和水平面運動的操縱性進行分析,給出不同航速下AUV縱平面運動和水平面運動的操縱性指數(shù),并與傳統(tǒng)推進方式下AUV的操縱性指數(shù)進行對比。對比結果表明了矢量推進方式下的AUV操縱性更好,理論上證明了矢量推進器更適合于對AUV的操控。三、然后,對矢量推進AUV的航行體運動控制展開研究。針對AUV模型的不準確性以及水下環(huán)境的復雜性和不確定性,對矢量推進AUV的縱向運動和側向運動分別設計模糊PID控制器和常規(guī)PID控制器,仿真得出兩種控制器下矢量推進AUV在不同航行模式下的深度、俯仰角和航向角響應曲線,并對比兩種控制器下系統(tǒng)的動態(tài)品質以及系統(tǒng)的抗擾動性。對比結果表明了模糊PID控制方法在一定程度上能夠提高系統(tǒng)的動態(tài)品質以及系統(tǒng)的抗擾動性。
【關鍵詞】：自主水下航行器(AUV) 矢量推進AUV 推力失效 數(shù)學模型 操縱性分析 模糊PID控制器
【學位授予單位】：中國艦船研究院
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：U674.941;TP273
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第一章 緒論10-20
• 1.1 引言10-12
• 1.2 研究背景及意義12
• 1.3 矢量推進AUV的研究現(xiàn)狀12-16
• 1.3.1 矢量推進器的定義及種類12-14
• 1.3.2 矢量推進AUV的優(yōu)點14-16
• 1.4 AUV的控制策略研究現(xiàn)狀16-18
• 1.5 目前存在的問題18
• 1.6 本文主要研究內(nèi)容18-20
• 第二章 矢量推進AUV的數(shù)學建模20-34
• 2.1 引言20-21
• 2.2 坐標系及參數(shù)定義21-24
• 2.2.1 坐標系21
• 2.2.2 運動學參數(shù)21-23
• 2.2.3 坐標轉換與坐標轉換矩陣23-24
• 2.3 矢量推進AUV的運動描述24-25
• 2.4 矢量推進AUV的動力學分析25-31
• 2.4.1 矢量推進AUV六自由度動力學方程25-26
• 2.4.2 作用在矢量推進AUV上的力和力矩26-31
• 2.5 矢量推進AUV的運動學分析31-32
• 2.5.1 AUV平動運動學方程31
• 2.5.2 AUV轉動運動學方程31-32
• 2.6 矢量推進AUV的空間運動32-33
• 2.6.1 AUV縱向運動方程32-33
• 2.6.2 AUV側向運動方程33
• 2.7 本章小結33-34
• 第三章 矢量推進AUV的操縱性分析34-49
• 3.1 引言34
• 3.2 矢量推進AUV總體參數(shù)34-35
• 3.3 平衡偏轉角 de0和平衡攻角 0a35-36
• 3.4 擾動方程及傳遞函數(shù)36-39
• 3.4.1 縱向擾動方程及傳遞函數(shù)36-38
• 3.4.2 側向擾動方程及傳遞函數(shù)38-39
• 3.5 矢量推進AUV操縱性計算39-48
• 3.5.1 操縱性指數(shù)39
• 3.5.2 縱向運動操縱性計算39-44
• 3.5.3 側向運動操縱性計算44-48
• 3.5.4 側向運動回轉性能48
• 3.6 本章小結48-49
• 第四章 矢量推進AUV的航行體運動控制49-78
• 4.1 引言49
• 4.2 模糊PID控制49-53
• 4.2.1 PID控制49-50
• 4.2.2 模糊控制50-52
• 4.2.3 模糊PID控制器的基本原理52-53
• 4.3 矢量推進AUV模糊PID控制器的設計53-62
• 4.3.1 模糊控制器維數(shù)的建立53
• 4.3.2 模糊集及其隸屬度函數(shù)的建立53-56
• 4.3.3 模糊控制規(guī)則及模糊推理方法56-61
• 4.3.4 解模糊及模糊PID自整定參數(shù)的輸出61-62
• 4.4 矢量推進AUV的航行體運動控制仿真62-77
• 4.4.1 縱向運動控制62-68
• 4.4.2 側向運動控制68-75
• 4.4.3 抗擾動性分析75-77
• 4.5 本章小結77-78
• 第五章 總結和展望78-80
• 5.1 全文總結78-79
• 5.2 研究展望79-80
• 致謝80-81
• 參考文獻81-86
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文86

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前4條

1 段洪君;史小平;;基于滑模自適應的飛行器魯棒姿態(tài)控制[J];兵工學報;2009年07期

2 李鐵術;宋保維;;基于PID控制的模糊自適應動力定位技術[J];彈箭與制導學報;2007年02期

3 陳路偉;周朝暉;;矢量推進方式下的自主式水下航行器縱向運動操縱性分析[J];船海工程;2011年02期

4 張睿彬;;模糊參數(shù)自整定PID控制器的設計與仿真研究[J];中原工學院學報;2007年01期

中國碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 王聘;無人自主水下航行器矢量推進器研究[D];西北工業(yè)大學;2006年

  本文關鍵詞：基于矢量推進AUV的航行體運動控制研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：274022