發(fā)布時(shí)間：2017-08-21 16:02

  本文關(guān)鍵詞：自治水下運(yùn)載器—機(jī)械手系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制研究

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【摘要】：本文主要對(duì)自治水下運(yùn)載器-機(jī)械手系統(tǒng)(underwater vehicle-manipulator systems,UVMS)協(xié)調(diào)控制技術(shù)進(jìn)行了深入研究,包括運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)劃技術(shù)和關(guān)節(jié)空間軌跡跟蹤控制技術(shù)這兩方面內(nèi)容。針對(duì)自治UVMS運(yùn)動(dòng)學(xué)冗余、各子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性不一致的特點(diǎn),本文提出了一種基于模糊算法的多任務(wù)加權(quán)投影梯度法,有效解決了 UVMS的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)劃問題。而針對(duì)存在強(qiáng)非線性耦合、較復(fù)雜參數(shù)不確定性及未知外干擾的自治UVMS關(guān)節(jié)空間軌跡跟蹤控制難題,提出了基于時(shí)延估計(jì)(time delay estimation,TDE)的非線性魯棒控制策略,解決了UVMS關(guān)節(jié)空間軌跡跟蹤的非線性魯棒控制難題。最終,將所提運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)劃算法和非線性魯棒控制算法結(jié)合在一起,有效地實(shí)現(xiàn)了存在較大綜合不確定性狀態(tài)下的自治UVMS協(xié)調(diào)控制。本文共分為八章,各章內(nèi)容概括如下:第一章,介紹了 UVMS發(fā)展的歷史和國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀,并對(duì)構(gòu)成UVMS協(xié)調(diào)控制技術(shù)的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)劃技術(shù)和關(guān)節(jié)空間軌跡跟蹤控制技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的回顧和介紹。最后簡(jiǎn)述了本課題的研究意義、研究難點(diǎn)和研究?jī)?nèi)容。第二章,介紹了本課題所研究UVMS的開發(fā)背景、總體結(jié)構(gòu)和各子系統(tǒng)的組成,并通過試驗(yàn)給出了執(zhí)行器廣義輸出力和輸入信號(hào)之間的擬合關(guān)系式。第三章,簡(jiǎn)述了水下運(yùn)載器和水下電驅(qū)機(jī)械手各自的運(yùn)動(dòng)情況,建立了兩者獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。而后將其融合得到相應(yīng)的UVMS關(guān)節(jié)空間和任務(wù)空間的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。而對(duì)于動(dòng)力學(xué)模型,考慮到UVMS的高維數(shù)及水動(dòng)力參數(shù)的復(fù)雜性,一般很難通過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)準(zhǔn)確得到。因此,本章主要利用MATLAB/Simulink@下的SimMechanics工具箱和三維建模軟件Solidworks建立了 UVMS的動(dòng)力學(xué)模型。最終,在MATLAB/Simulink@環(huán)境下建立了完整的UVMS仿真模型。第四章,針對(duì)具有運(yùn)動(dòng)學(xué)冗余特性的UVMS運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)劃問題,提出了一種基于模糊算法的多任務(wù)加權(quán)投影梯度法。該方法利用模糊算法有效地解決了次要約束之間的優(yōu)先級(jí)問題,然后采用加權(quán)投影梯度法在保證主任務(wù)的同時(shí),較好的協(xié)調(diào)多個(gè)約束條件。最后,通過多組對(duì)比仿真研究驗(yàn)證了所提算法的有效性。第五章,針對(duì)存在強(qiáng)非線性耦合、較復(fù)雜參數(shù)不確定性及未知外干擾的UVMS關(guān)節(jié)空間軌跡跟蹤控制難題,提出了一種基于連續(xù)性TDE技術(shù)的非線性魯棒控制策略。該策略的核心思想是利用TDE技術(shù)構(gòu)建控制器主體架構(gòu),然后采用其他控制方法實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)控制效果的調(diào)節(jié)。而TDE技術(shù)的核心思想是利用系統(tǒng)前一段時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)量來估算當(dāng)前時(shí)刻的系統(tǒng)集總動(dòng)態(tài)模型,用以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的補(bǔ)償。故基于TDE技術(shù)的控制器一般對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型依賴較小。在此基礎(chǔ)上,作者首先提出了一種基于TDE技術(shù)的PD控制器。該算法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于應(yīng)用的特點(diǎn)。而后,為進(jìn)一步提升系統(tǒng)的控制品質(zhì),作者將終端滑�？刂品椒ㄅcTDE技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起,提出了一種基于TDE技術(shù)的終端滑�？刂破�。使用Lyapunov穩(wěn)定性理論,證明了當(dāng)存在集總不確定項(xiàng)時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,并給出了系統(tǒng)跟蹤誤差的范圍。為驗(yàn)證所提算法的有效性,本章將兩種基于TDE技術(shù)的控制方法與傳統(tǒng)PD控制器進(jìn)行了對(duì)比仿真和水池試驗(yàn)研究。結(jié)果表明,相對(duì)傳統(tǒng)PD控制器兩種所提算法均可保證較好的控制性能和較強(qiáng)的魯棒性,且具有對(duì)系統(tǒng)模型依賴程度低的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí),基于TDE技術(shù)的終端滑�？刂破骺色@取比基于TDE技術(shù)PD控制器更優(yōu)的控制品質(zhì)和魯棒性。第六章,針對(duì)存在較大綜合不確定性的UVMS關(guān)節(jié)空間軌跡跟蹤控制難題,在前文所提基于連續(xù)性TDE技術(shù)的非線性魯棒控制策略的基礎(chǔ)上,為進(jìn)一步提高系統(tǒng)控制品質(zhì)、減弱測(cè)量噪聲的影響,提出了 一種基于離散TDE技術(shù)的非線性魯棒控制方法。一般來說,UVMS不會(huì)配備加速度測(cè)量傳感器。而為了滿足連續(xù)性TDE技術(shù)對(duì)加速度信息的需求,大多會(huì)對(duì)位置或速度信息微分以獲取加速度信息。雖然可以通過降低控制器參數(shù)或增加濾波器來抑制測(cè)量噪聲對(duì)系統(tǒng)控制效果的影響,但是這樣可能會(huì)限制內(nèi)環(huán)控制量對(duì)系統(tǒng)控制品質(zhì)的調(diào)節(jié)作用。并且微分操作及額外的濾波器都會(huì)增加控制器的復(fù)雜性,加重計(jì)算負(fù)擔(dān),不利于控制器的工程實(shí)際應(yīng)用。而與基于連續(xù)性TDE技術(shù)的控制方法相比,基于離散TDE技術(shù)的算法無(wú)需加速度信息,結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單,更加適用于實(shí)際工程應(yīng)用。使用Lyapunov穩(wěn)定性理論,深入分析了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由理論分析知,系統(tǒng)軌跡的跟蹤誤差將收斂到一個(gè)小球域內(nèi)。為驗(yàn)證所提算法的有效性,開展了仿真與水池試驗(yàn)研究。相關(guān)結(jié)果表明所提算法可以較好地保證系統(tǒng)跟蹤控制品質(zhì),同時(shí)具有相對(duì)基于連續(xù)性TDE技術(shù)的非線性魯棒控制算法更簡(jiǎn)單、更易于實(shí)際應(yīng)用的結(jié)構(gòu)。第七章,針對(duì)存在較大綜合不確定性的UVMS協(xié)調(diào)控制難題,將上文所提UVMS運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)劃算法和非線性魯棒控制算法有機(jī)地整合在一起,提出了一種UVMS協(xié)調(diào)控制策略,并通過仿真驗(yàn)證了所提控制策略的有效性。第八章,對(duì)本文的主要研究工作、結(jié)論和創(chuàng)新點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)和歸納,針對(duì)UVMS協(xié)調(diào)控制的研究作出展望,并簡(jiǎn)單介紹了本課題未來所需繼續(xù)開展的研究工作。
【關(guān)鍵詞】：自治水下運(yùn)載器-機(jī)械手系統(tǒng) UVMS 冗余系統(tǒng) 浮游系統(tǒng) 運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)劃 軌跡跟蹤 非線性魯棒控制 連續(xù)性時(shí)延估計(jì) 離散時(shí)延估計(jì) 終端滑模控制
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：U674.941
【目錄】：

• 致謝5-7
• 摘要7-10
• Abstract10-22
• 第1章 緒論22-40
• 1.1 課題研究背景22-23
• 1.2 UVMS綜述23-36
• 1.2.1 UVMS分類23-24
• 1.2.2 UVMS應(yīng)用范圍24-25
• 1.2.3 UVMS發(fā)展回顧25-31
• 1.2.4 自治UVMS協(xié)調(diào)控制研究綜述31-36
• 1.3 課題研究意義、難點(diǎn)與內(nèi)容36-40
• 1.3.1 課題研究意義36-37
• 1.3.2 課題研究難點(diǎn)37-38
• 1.3.3 課題研究?jī)?nèi)容及論文章節(jié)安排38-40
• 第2章 自治水下運(yùn)載器-機(jī)械手系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理40-52
• 2.1 自治UVMS結(jié)構(gòu)及工作原理40-42
• 2.2 三體水下運(yùn)載器42-47
• 2.2.1 動(dòng)力及控制系統(tǒng)42
• 2.2.2 推進(jìn)器及其建模42-45
• 2.2.3 推進(jìn)器布置及推力分配45-47
• 2.3 水下電驅(qū)機(jī)械手47-50
• 2.4 自治UVMS控制系統(tǒng)組成50-51
• 2.5 本章小結(jié)51-52
• 第3章 自治水下運(yùn)載器-機(jī)械手系統(tǒng)建模52-70
• 3.1 水下運(yùn)載器運(yùn)動(dòng)學(xué)建模52-54
• 3.2 水下機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)建模54-59
• 3.2.1 連桿坐標(biāo)系及齊次坐標(biāo)變換矩陣54-58
• 3.2.2 雅克比矩陣58-59
• 3.3 自治UVMS運(yùn)動(dòng)學(xué)建模59-61
• 3.3.1 關(guān)節(jié)空間的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型59-60
• 3.3.2 任務(wù)空間的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型60-61
• 3.4 基于SimMechanics的UVMS動(dòng)力學(xué)建模61-66
• 3.4.1 自治UVMS水動(dòng)力建模62-65
• 3.4.2 機(jī)械手關(guān)節(jié)摩擦力建模65
• 3.4.3 自治UVMS動(dòng)力學(xué)仿真模型建立65-66
• 3.5 自治UVMS仿真模型建立66-69
• 3.6 本章小結(jié)69-70
• 第4章 自治水下運(yùn)載器-機(jī)械手系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃研究70-89
• 4.1 自治UVMS運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問題及研究目標(biāo)70
• 4.2 自治UVMS運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法70-78
• 4.2.1 運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法簡(jiǎn)述71-73
• 4.2.2 運(yùn)動(dòng)約束簡(jiǎn)述73-77
• 4.2.3 基于模糊算法的多任務(wù)加權(quán)投影梯度解77-78
• 4.3 自治UVMS運(yùn)動(dòng)規(guī)劃仿真研究78-87
• 4.3.1 自治UVMS運(yùn)動(dòng)規(guī)劃仿真模型建立78-81
• 4.3.2 基于模糊算法的多任務(wù)加權(quán)投影梯度解仿真研究81-87
• 4.4 本章小結(jié)87-89
• 第5章 基于時(shí)延估計(jì)的UVMS關(guān)節(jié)空間非線性魯棒控制方法研究89-130
• 5.1 控制難點(diǎn)及研究目標(biāo)89-91
• 5.2 終端滑模控制及時(shí)延估計(jì)方法回顧91-93
• 5.3 基于時(shí)延估計(jì)的UVMS關(guān)節(jié)空間終端滑�？刂品椒�93-102
• 5.3.1 基于時(shí)延估計(jì)的PD控制器推導(dǎo)93-95
• 5.3.2 基于時(shí)延估計(jì)的終端滑�？刂破魍茖�(dǎo)95-96
• 5.3.3 基于TDE技術(shù)的終端滑�？刂破鏖]環(huán)穩(wěn)定性分析96-100
• 5.3.4 控制器調(diào)整100-101
• 5.3.5 補(bǔ)償器設(shè)計(jì)101-102
• 5.4 仿真研究102-114
• 5.4.1 工況1仿真結(jié)果103-107
• 5.4.2 工況2仿真結(jié)果107-110
• 5.4.3 工況3仿真結(jié)果110-113
• 5.4.4 仿真結(jié)果分析及結(jié)論113-114
• 5.5 試驗(yàn)研究114-129
• 5.5.1 PD控制器試驗(yàn)結(jié)果115-118
• 5.5.2 基于TDE技術(shù)的PD控制器試驗(yàn)結(jié)果118-121
• 5.5.3 基于TDE技術(shù)的終端滑�？刂破髟囼�(yàn)結(jié)果121-124
• 5.5.4 試驗(yàn)結(jié)果分析及結(jié)論124-129
• 5.6 本章小結(jié)129-130
• 第6章 基于離散時(shí)延估計(jì)的UVMS關(guān)節(jié)空間非線性魯棒控制方法研究130-147
• 6.1 研究背景及相關(guān)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀130-131
• 6.1.1 研究背景及意義130-131
• 6.1.2 相關(guān)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀131
• 6.2 基于離散時(shí)延估計(jì)的UVMS關(guān)節(jié)空間控制方法131-135
• 6.2.1 基于離散時(shí)延估計(jì)的非線性魯棒控制器設(shè)計(jì)131-133
• 6.2.2 穩(wěn)定性分析133-135
• 6.2.3 補(bǔ)償器設(shè)計(jì)135
• 6.3 仿真研究135-139
• 6.3.1 仿真結(jié)果135
• 6.3.2 仿真結(jié)果分析及結(jié)論135-139
• 6.4 試驗(yàn)研究139-146
• 6.4.1 試驗(yàn)結(jié)果139
• 6.4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析及結(jié)論139-146
• 6.5 本章小結(jié)146-147
• 第7章 自治水下運(yùn)載器-機(jī)械手系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制綜合仿真研究147-155
• 7.1 自治UVMS協(xié)調(diào)控制原理147
• 7.2 自治UVMS協(xié)調(diào)控制綜合仿真研究147-154
• 7.2.1 仿真結(jié)果148-153
• 7.2.2 仿真結(jié)果分析及結(jié)論153-154
• 7.3 本章小結(jié)154-155
• 第8章 總結(jié)與展望155-160
• 8.1 論文總結(jié)155-158
• 8.2 創(chuàng)新點(diǎn)158-159
• 8.3 研究展望159-160
• 附錄160-165
• 參考文獻(xiàn)165-177
• 作者簡(jiǎn)介177-178

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本文編號(hào)：713786