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微小型水下机器人运动控制

作　者: 崔士鹏
导　师: 万磊
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 船舶与海洋结构物设计制造
关键词: 微小型水下机器人 欠驱动系统 自适应反步滑模控制 路径跟踪
分类号: U674.941
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


近些年来，水下机器人无论在民用还是在军用领域都得到了人们的广泛关注。由于体积小、成本低、能耗低、隐蔽性好、机动灵活、搭载方便等特点，微小型水下机器人已成为当前研究的热点。微小型水下机器人通常采用桨、翼、舵联合操纵的方式，利用翼、舵来实现升沉和回转运动，是典型的欠驱动系统。加之其尺寸小，易受波浪、海流等干扰，如何对微小型水下机器人的运动进行精确控制成为了水下机器人技术研究的难题之一。本文研究的对象是哈尔滨工程大学水下机器人技术重点实验室的WL-3微小型水下机器人。首先针对WL-3微小型水下机器人的实际特点，对其六自由度模型进行简化，得到解耦后的该水下机器人水平面和垂直面运动模型。然后考虑存在建模误差和外界干扰等不确定性影响的情况下，针对微小型水下机器人的定速、定向和定深问题，采用自适应律在线辨识不确定性影响总和，将反步思想和滑模变结构控制相结合，提出了自适应反步滑模控制方法。之后针对自适应律只能辨识慢时变的不确定性影响总和，且考虑微小型水下机器人模型未知的情况，采用自适应模糊逻辑系统辨识外界干扰和微小型水下机器人模型，提出了自适应模糊反步滑模控制方法。最后根据微小型水下机器人在实际工程中的应用，设计了基于自适应模糊反步滑模方法的路径跟踪控制器。仿真实验验证了所设计的控制器在微小型水下机器人定速、定向、定深及路径跟踪控制中的有效性和鲁棒性。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-7
目录  7-10
第1章 绪论  10-18
  1.1 引言  10
  1.2 微小型水下机器人的国内外研究现状  10-13
    1.2.1 国外研究现状  10-11
    1.2.2 国内研究现状  11-13
  1.3 水下机器人控制方法的发展现状  13-14
  1.4 微小型水下机器人的特点  14-15
  1.5 本论文的研究意义和主要研究内容  15-18
第2章 微小型水下机器人运动建模  18-26
  2.1 引言  18
  2.2 水下机器人运动学方程  18-20
    2.2.1 坐标系和参数定义  18-19
    2.2.2 运动学方程  19-20
  2.3 水下机器人动力学方程  20-23
    2.3.1 质量及惯性矩阵  20-21
    2.3.2 科氏向心力矩阵  21-22
    2.3.3 流体阻力矩阵  22
    2.3.4 恢复力及恢复力矩  22-23
    2.3.5 执行机构产生的力及/矩向量  23
  2.4 模型简化及控制模型的建立  23-25
    2.4.1 水平面运动模型  23-24
    2.4.2 垂直面运动模型  24-25
  2.5 本章小结  25-26
第3章 非线性控制理论基础介绍  26-36
  3.1 引言  26
  3.2 反步法  26-28
  3.3 滑模变结构控制法  28-31
    3.3.1 滑模控制的描述及设计过程  28-29
    3.3.2 滑模控制的不变性和抖振问题  29-31
  3.4 模糊逻辑系统  31-34
    3.4.1 基于模糊系统的辨识方法  31-33
    3.4.2 模糊系统的万能逼近特性  33
    3.4.3 自适应模糊系统  33-34
  3.5 本章小结  34-36
第4章 自适应反步滑模控制方法研究  36-50
  4.1 引言  36
  4.2 自适应反步滑模控制  36-40
    4.2.1 问题描述  36-37
    4.2.2 自适应反步滑模控制器设计  37-40
  4.3 水平面自适应反步滑模控制  40-45
    4.3.1 水平面自适应反步滑模控制器设计  41-42
    4.3.2 仿真实验及结果分析  42-45
  4.4 垂直面自适应反步滑模控制  45-49
    4.4.1 垂直面自适应反步滑模控制器设计  45-48
    4.4.2 仿真实验及结果分析  48-49
  4.5 本章小结  49-50
第5章 自适应模糊反步滑模控制方法研究  50-62
  5.1 引言  50
  5.2 自适应模糊反步滑模控制器设计  50-53
  5.3 水平面自适应模糊反步滑模控制  53-56
    5.3.1 水平面自适应模糊反步滑模控制器设计  53-55
    5.3.2 仿真实验及结果分析  55-56
  5.4 垂直面自适应模糊反步滑模控制  56-61
    5.4.1 垂直面自适应模糊反步滑模控制器设计  57-59
    5.4.2 仿真实验及结果分析  59-61
  5.5 本章小结  61-62
第6章 微小型水下机器人路径跟踪控制  62-78
  6.1 引言  62
  6.2 水平面自适应模糊反步滑模路径跟踪控制方法研究  62-70
    6.2.1 水平面路径跟踪问题描述  62-65
    6.2.2 水平面自适应模糊反步滑模路径跟踪控制器设计  65-68
    6.2.3 仿真实验及结果分析  68-70
  6.3 垂直面自适应模糊反步滑模路径跟踪控制方法研究  70-77
    6.3.1 垂直面路径跟踪问题描述  70-72
    6.3.2 垂直面自适应模糊反步滑模路径跟踪控制器设计  72-75
    6.3.3 仿真实验及结果分析  75-77
  6.4 本章小结  77-78
结论  78-80
参考文献  80-86
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  86-88
致谢  88

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中图分类: > 交通运输 > 水路运输 > 船舶工程 > 各种船舶 > 船舶：按航行状态分 > 潜水船
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