本文關(guān)鍵詞：基于矢量推進(jìn)AUV的航行體運(yùn)動(dòng)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(yīng)用前景。由于水下環(huán)境的復(fù)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(jìn)行水下探測(cè)、水下施工、水下救助和打撈等領(lǐng)域的重要工具,具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)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(shí),舵的控制效率很低,機(jī)動(dòng)性差。在零速狀態(tài)下,舵甚至?xí)タ刂菩Ч２⑶?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(shí)造成推進(jìn)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(dòng)作。針對(duì)這些情況,本文研究了一種矢量推進(jìn)器,它通過改變螺旋槳的方向來產(chǎn)生一個(gè)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(jìn)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(jìn)AUV都具有良好的機(jī)動(dòng)性和靈活性。此外,下潛過程中,由于螺旋槳向下偏轉(zhuǎn),以矢量推進(jìn)器作為控制輸入的AUV獲得俯仰力矩的同時(shí)也能得到有效的推進(jìn)力,一段時(shí)間內(nèi)可以保持推進(jìn)力始終有效,增加了推進(jìn)力的作用時(shí)間,且可以通過提高螺旋槳轉(zhuǎn)速增大下潛時(shí)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(dòng)作。本文主要的研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面:一、首先,建立矢量推進(jìn)AUV的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)矢量推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)及工作原理,對(duì)這種矢量推進(jìn)方式下的AUV進(jìn)行動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,基于經(jīng)典的動(dòng)量和動(dòng)量矩定理,建立矢量推進(jìn)AUV的數(shù)學(xué)模型。采用解耦原理,將AUV的空間運(yùn)動(dòng)分解為垂直平面的縱向運(yùn)動(dòng)和水平面的側(cè)向運(yùn)動(dòng),并推導(dǎo)出AUV在巡航狀態(tài)下縱向運(yùn)動(dòng)和側(cè)向運(yùn)動(dòng)的線性化方程。二、其次,對(duì)矢量推進(jìn)AUV的操縱性進(jìn)行了分析。采用小擾動(dòng)原理,根據(jù)得到的矢量推進(jìn)AUV空間運(yùn)動(dòng)的線性化方程,推導(dǎo)矢量推進(jìn)AUV縱平面運(yùn)動(dòng)和側(cè)平面運(yùn)動(dòng)的擾動(dòng)方程,進(jìn)而得到矢量推進(jìn)AUV各個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的傳遞函數(shù)。然后對(duì)這種矢量推進(jìn)AUV縱平面運(yùn)動(dòng)和水平面運(yùn)動(dòng)的操縱性進(jìn)行分析,給出不同航速下AUV縱平面運(yùn)動(dòng)和水平面運(yùn)動(dòng)的操縱性指數(shù),并與傳統(tǒng)推進(jìn)方式下AUV的操縱性指數(shù)進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比結(jié)果表明了矢量推進(jìn)方式下的AUV操縱性更好,理論上證明了矢量推進(jìn)器更適合于對(duì)AUV的操控。三、然后,對(duì)矢量推進(jìn)AUV的航行體運(yùn)動(dòng)控制展開研究。針對(duì)AUV模型的不準(zhǔn)確性以及水下環(huán)境的復(fù)雜性和不確定性,對(duì)矢量推進(jìn)AUV的縱向運(yùn)動(dòng)和側(cè)向運(yùn)動(dòng)分別設(shè)計(jì)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(jìn)AUV在不同航行模式下的深度、俯仰角和航向角響應(yīng)曲線,并對(duì)比兩種控制器下系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)以及系統(tǒng)的抗擾動(dòng)性。對(duì)比結(jié)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(dòng)態(tài)品質(zhì)以及系統(tǒng)的抗擾動(dòng)性。
【關(guān)鍵詞】：自主水下航行器(AUV) 矢量推進(jìn)AUV 推力失效 數(shù)學(xué)模型 操縱性分析 模糊PID控制器
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)艦船研究院
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：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(jìn)AUV的研究現(xiàn)狀12-16
• 1.3.1 矢量推進(jìn)器的定義及種類12-14
• 1.3.2 矢量推進(jìn)AUV的優(yōu)點(diǎn)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?jī)?nèi)容18-20
• 第二章 矢量推進(jìn)AUV的數(shù)學(xué)建模20-34
• 2.1 引言20-21
• 2.2 坐標(biāo)系及參數(shù)定義21-24
• 2.2.1 坐標(biāo)系21
• 2.2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)21-23
• 2.2.3 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣23-24
• 2.3 矢量推進(jìn)AUV的運(yùn)動(dòng)描述24-25
• 2.4 矢量推進(jìn)AUV的動(dòng)力學(xué)分析25-31
• 2.4.1 矢量推進(jìn)AUV六自由度動(dòng)力學(xué)方程25-26
• 2.4.2 作用在矢量推進(jìn)AUV上的力和力矩26-31
• 2.5 矢量推進(jìn)AUV的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析31-32
• 2.5.1 AUV平動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程31
• 2.5.2 AUV轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程31-32
• 2.6 矢量推進(jìn)AUV的空間運(yùn)動(dòng)32-33
• 2.6.1 AUV縱向運(yùn)動(dòng)方程32-33
• 2.6.2 AUV側(cè)向運(yùn)動(dòng)方程33
• 2.7 本章小結(jié)33-34
• 第三章 矢量推進(jìn)AUV的操縱性分析34-49
• 3.1 引言34
• 3.2 矢量推進(jìn)AUV總體參數(shù)34-35
• 3.3 平衡偏轉(zhuǎn)角 de0和平衡攻角 0a35-36
• 3.4 擾動(dòng)方程及傳遞函數(shù)36-39
• 3.4.1 縱向擾動(dòng)方程及傳遞函數(shù)36-38
• 3.4.2 側(cè)向擾動(dòng)方程及傳遞函數(shù)38-39
• 3.5 矢量推進(jìn)AUV操縱性計(jì)算39-48
• 3.5.1 操縱性指數(shù)39
• 3.5.2 縱向運(yùn)動(dòng)操縱性計(jì)算39-44
• 3.5.3 側(cè)向運(yùn)動(dòng)操縱性計(jì)算44-48
• 3.5.4 側(cè)向運(yùn)動(dòng)回轉(zhuǎn)性能48
• 3.6 本章小結(jié)48-49
• 第四章 矢量推進(jìn)AUV的航行體運(yùn)動(dòng)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(jìn)AUV模糊PID控制器的設(shè)計(jì)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(jìn)AUV的航行體運(yùn)動(dòng)控制仿真62-77
• 4.4.1 縱向運(yùn)動(dòng)控制62-68
• 4.4.2 側(cè)向運(yùn)動(dòng)控制68-75
• 4.4.3 抗擾動(dòng)性分析75-77
• 4.5 本章小結(jié)77-78
• 第五章 總結(jié)和展望78-80
• 5.1 全文總結(jié)78-79
• 5.2 研究展望79-80
• 致謝80-81
• 參考文獻(xiàn)81-86
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文86

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)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(yīng)的飛行器魯棒姿態(tài)控制[J];兵工學(xué)報(bào);2009年07期

2 李鐵術(shù);宋保維;;基于PID控制的模糊自適應(yīng)動(dòng)力定位技術(shù)[J];彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào);2007年02期

3 陳路偉;周朝暉;;矢量推進(jìn)方式下的自主式水下航行器縱向運(yùn)動(dòng)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(shè)計(jì)與仿真研究[J];中原工學(xué)院學(xué)報(bào);2007年01期

中國(guó)碩士學(xué)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(jìn)器研究[D];西北工業(yè)大學(xué);2006年

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

本文編號(hào)：274022