【摘要】：隨著海洋開發(fā)的深入,海洋裝備逐漸細(xì)化,向著專業(yè)化、多樣化的趨勢發(fā)展。作為一類特殊的混合驅(qū)動型自主式水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV),裝配內(nèi)置式控制力矩陀螺群(Control Moment Gyros,CMGs)的AUV具有三軸姿態(tài)控制能力,可在低速甚至零速狀態(tài)下進(jìn)行姿態(tài)機(jī)動。同時,該類水下航行器姿態(tài)機(jī)動不依賴于流體之間的相互作用,可保持船體的水動力完整性,非常適合狹窄空間內(nèi)任務(wù)作業(yè)。然而,自CMGs被引進(jìn)至AUV以來,對此類水下航行器的研究大多聚焦在動力學(xué)建模和簡單的姿態(tài)穩(wěn)定控制,不涉及航行器運(yùn)動的難點(diǎn)問題,即跟蹤控制問題的研究。特別地,從實(shí)際角度出發(fā),有必要開展對這類AUV在集總非線性影響,如輸入飽和、參數(shù)不確定、動力學(xué)耦合以及時變海流干擾下的位置和姿態(tài)跟蹤控制研究。本文首先深入調(diào)研了國內(nèi)外對混和驅(qū)動型AUV運(yùn)動控制方面的研究成果,特別地,分析了基于CMGs的AUV運(yùn)動控制中存在的問題。在此基礎(chǔ)上,回顧了國內(nèi)外對傳統(tǒng)AUV位置和姿態(tài)跟蹤控制研究成果,以及輸入飽和約束下的跟蹤控制方面的研究成果,選擇基于CMGs的AUV的位置和姿態(tài)跟蹤控制作為本文核心研究內(nèi)容。主要研究工作如下:首先,簡要介紹了CMGs系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,詳細(xì)地闡述了該系統(tǒng)的奇異性機(jī)理,并適時地給出了幾種典型的CMGs操縱律。分別給出基于歐拉角和四元數(shù)的AUV運(yùn)動學(xué)方程,說明了相較于傳統(tǒng)AUV,耦合CMGs的動力學(xué)行為的AUV動力學(xué)方程的特殊性。在此基礎(chǔ)上,分析了該水下航行器的執(zhí)行器輸入飽和特性。其次,基于一體化耦合CMGs的AUV姿態(tài)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)方程,結(jié)合自適應(yīng)容錯控制方法,完成了基于分布式CMGs的AUV在零速狀態(tài)下的大角度容錯姿態(tài)控制,避免了再設(shè)計(jì)CMGs操縱律的問題。在此基礎(chǔ)上,提出一種自適應(yīng)非奇異終端滑模的控制方法,完成基于CMGs的AUV在執(zhí)行器故障與輸入飽和雙重約束下的有限時間姿態(tài)控制,并通過不同場景下的仿真對比進(jìn)行了驗(yàn)證。此外,考慮帶有水動力參數(shù)不確定、外界海流干擾、執(zhí)行器故障與輸入飽和約束下的一般情況,結(jié)合自適應(yīng)方法與滑模控制策略,實(shí)現(xiàn)了該水下航行器的有限時間姿態(tài)穩(wěn)定控制。接著,考慮恒定推力下的由CMGs系統(tǒng)驅(qū)動的AUV在輸入飽和約束、模型參數(shù)不確定以及外界環(huán)境干擾下的姿態(tài)跟蹤控制問題,分別設(shè)計(jì)了兩種有限時間跟蹤控制器。基于有限時間收斂狀態(tài)觀測器和反步滑�？刂频姆桨敢�,利用了一種切換函數(shù)實(shí)現(xiàn)了魯棒控制律和常數(shù)趨近律的有效切換,設(shè)計(jì)的抗飽和補(bǔ)償器緩解了觀測器的負(fù)擔(dān)。進(jìn)一步地,利用非奇異終端滑模與徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法對此作出改進(jìn),設(shè)計(jì)的方案二解除了觀測器對干擾可微的束縛;同時分別對不同場景下的姿態(tài)跟蹤進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,證明了方案二在收斂時間和穩(wěn)態(tài)誤差精度上均優(yōu)于方案一。隨后,研究了基于CMGs的AUV水平面軌跡跟蹤控制問題。首先,基于一種全局微分同胚變換,實(shí)現(xiàn)了陀螺輸出力矩的解耦。利用分流神經(jīng)動力學(xué)模型與反步法,解決了無海流干擾的理想情景下該類AUV的跟蹤控制問題。在此基礎(chǔ)上,考慮模型參數(shù)不確定,以及環(huán)境干擾的影響,基于自適應(yīng)動態(tài)滑�？刂品椒ㄔO(shè)計(jì)了控制器,保證了跟蹤誤差的最終一致有界性;并分別由直線和正弦曲線的參數(shù)化軌跡進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。進(jìn)一步地,利用反步法和改進(jìn)的自適應(yīng)動態(tài)滑模設(shè)計(jì)的跟蹤控制器,實(shí)現(xiàn)了跟蹤誤差的漸近收斂性。從而,通過減少虛擬控制變量的引入優(yōu)化了控制方案的設(shè)計(jì),且提高了系統(tǒng)的控制品質(zhì)。最后,研究了基于CMGs的AUV三維軌跡跟蹤控制問題�；谖恢谜`差運(yùn)動學(xué)的速度控制律,結(jié)合反步法與抗飽和補(bǔ)償器設(shè)計(jì)的控制器,實(shí)現(xiàn)了該類水下航行器在有輸入飽和約束但無海流影響下跟蹤誤差的最終一致有界性�；谠O(shè)計(jì)的速度控制律,利用反步法與徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法設(shè)計(jì)的動力學(xué)控制器,解決了傳統(tǒng)AUV在有輸入飽和、模型參數(shù)不確定以及外界環(huán)境干擾下的三維軌跡跟蹤控制問題。此外,利用一種運(yùn)動平移變換,實(shí)現(xiàn)了含有執(zhí)行器動力學(xué)的AUV控制輸入的解耦。在上述方法的基礎(chǔ)上增添了橫滾動力學(xué)控制器,使得基于CMGs的AUV在帶有輸入飽和、部分參數(shù)不確定以及外界環(huán)境干擾下的位置和姿態(tài)的跟蹤誤差最終一致有界,并予以不同場景下的仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了控制器的有效性。
【圖文】：

圖 1-1（a）展示的是我國“CR-02”號 6000 米的 AUV，可實(shí)現(xiàn)深海調(diào)查與研究。此外，圖1-1（c）給出的是一款澳大利亞的“FOLAGA”混合驅(qū)動型 AUV，即采用外置的螺旋槳作為主推，內(nèi)置滑動質(zhì)量塊控制姿態(tài)與深度，主要用于海底地貌探測與地圖繪制。

到海水腐蝕與損壞，從而降低其耐久性與可靠性。與此類 AUV 不同，典型的內(nèi)置式驅(qū)動機(jī)構(gòu)最早出現(xiàn)在水下滑翔機(jī)上，Leonard and Graver 引進(jìn)壓載艙與移動質(zhì)量塊實(shí)現(xiàn)船體的姿態(tài)機(jī)動；如壓載艙移動提供船體上下滑行時的俯仰力矩，移動質(zhì)量塊調(diào)節(jié)船體的航向運(yùn)動；建立了基于模型的反饋控制律抵抗外在擾動與不確定[13]。Sherman 和Webb 等人在同年表明，該類水下航行器具有低能耗和高耐久性的特性[14][15]。但令人遺憾的是, 水下滑翔機(jī)一般航速偏低，大約以 0.3 m/s 的速度運(yùn)動，而推進(jìn)器驅(qū)動的AUV 航速通常保持在 1.5-2.0 m/s，因此該類滑翔機(jī)不適用于惡劣的海洋環(huán)境[16]。受內(nèi)置驅(qū)動型滑翔機(jī)啟發(fā)，傳統(tǒng) AUV 與此類航行器的一些特性開始融合。我國王叔新等研究了一種帶翼混合驅(qū)動水下滑翔機(jī)，其樣機(jī)如圖 1-2 (a)所示。該滑翔機(jī)以推力模式和滑行模式雙驅(qū)動操作，，以此提高航行器的機(jī)動性與敏捷性，即：推力模式下，航行器通過調(diào)節(jié)舵角改變航向；滑行模式下，調(diào)整壓載質(zhì)量位置改變自身姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)高速滑翔運(yùn)動，兩種模式根據(jù)作業(yè)任務(wù)自由切換有效節(jié)約能量。同時，結(jié)合仿真與湖中試驗(yàn)分析了這兩種模式下的運(yùn)動，驗(yàn)證建立的動力學(xué)模型正確性[17]。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：U674.941

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 王宏健;陳子印;賈鶴鳴;李娟;陳興華;;基于濾波反步法的欠驅(qū)動AUV三維路徑跟蹤控制[J];自動化學(xué)報(bào);2015年03期

2 唐國元;徐正武;黃道敏;鄧智勇;劉通;張超華;;基于姿態(tài)控制力矩陀螺的水下航行體運(yùn)動建模方法研究[J];中國造船;2014年02期

3 魏孔明;吳忠;劉濤;;單框架控制力矩陀螺構(gòu)型分析與奇異可視化[J];中國空間科學(xué)技術(shù);2013年01期

4 唐國元;馮雷;黃道敏;謝煒;謝金輝;王先洲;;陀螺效應(yīng)作用下水下航行體動力學(xué)模型及其運(yùn)動特性研究[J];海洋工程;2012年03期

5 張志方;董文強(qiáng);張錦江;何英姿;;控制力矩陀螺在天宮一號目標(biāo)飛行器姿態(tài)控制上的應(yīng)用[J];空間控制技術(shù)與應(yīng)用;2011年06期

6 陳興林;花文華;;攔截導(dǎo)彈自適應(yīng)動態(tài)滑模制導(dǎo)[J];黑龍江大學(xué)工程學(xué)報(bào);2010年04期

7 連侖;吳忠;;基于控制力矩陀螺的水下運(yùn)載器動力學(xué)與仿真[J];北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào);2010年09期

8 楊立平;張銘鈞;褚振忠;王玉甲;;水下機(jī)器人抗積分飽和控制及主動容錯控制方法[J];哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào);2010年06期

9 李家旺;宋保維;李家寬;邵成;;帶有內(nèi)部轉(zhuǎn)子的自主水下航行器的跟蹤控制[J];計(jì)算機(jī)仿真;2009年09期

10 葛暉;徐德民;項(xiàng)慶睿;;自主式水下航行器控制技術(shù)新進(jìn)展[J];魚雷技術(shù);2007年03期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前3條

1 陳鵬云;多傳感器條件下的AUV海底地形匹配導(dǎo)航研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2016年

2 孫志遠(yuǎn);單框架控制力矩陀螺新型操縱律研究[D];中國科學(xué)院研究生院（長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所）;2012年

3 向先波;二階非完整性水下機(jī)器人的路徑跟蹤與協(xié)調(diào)控制研究[D];華中科技大學(xué);2010年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 王洪達(dá);混合驅(qū)動水下機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D];天津大學(xué);2010年

本文編號：2702564