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欠驱动智能水下机器人的三维轨迹跟踪控制方法研究

作　者: 吴琪
导　师: 李晔; 徐鹏飞
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 船舶与海洋工程
关键词: 智能水下机器人 欠驱动 镇定控制 轨迹跟踪 级联系统
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


智能水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)在现代海洋开发中占有重要地位。欠驱动AUV的运动存在高度的非线性、非完整性以及控制输入的约束，因此针对于欠驱动AUV的研究将直接关系到AUV在实际运动中操控性能的好坏。针对于这一工程应用的背景，本文重点研究了欠驱动AUV的镇定控制和轨迹跟踪。首先，分析智能水下机器人受力情况，建立水下机器人的运动学和动力学模型。在此基础上对AUV进行非完整性和可控性分析，并且对AUV的物理约束进行了相应的研究。AUV的非完整性和可控性表明可以设计时变的控制律进行AUV相应的运动控制，为后续的镇定控制和轨迹跟踪打下基础。在欠驱动AUV的镇定控制方面，本文分别从二维平面和三维空间进行了镇定设计。镇定设计的目的就是使AUV从任意初始位置通过控制输入稳定在稳定点。针对于二维镇定设计，基于微分同胚变换，将运动方程转化为级联系统，应用李亚普诺夫直接法设计得到一种较为简单的控制律，并应用微分理论进行了证明。三维镇定设计，基于四元数理论将六自由度空间运动方程进行了转化，设计虚拟的中间变量，得到控制律并进行了证明。针对于欠驱动AUV的轨迹跟踪问题，本文也从二维平面和三维空间进行了跟踪设计。轨迹跟踪问题就是在控制输入的作用下使得AUV沿设定的轨迹运动。相对于镇定控制问题，轨迹跟踪分为两部分进行：轨迹跟踪误差方程的获得；轨迹跟踪误差方程的镇定收敛；其难点就在于跟踪误差方程的获得。二维轨迹跟踪，首先假设虚拟的AUV运动方程，得到误差方程，通过微分同胚变化得到跟踪误差的级联系统，利用李亚普诺夫稳定性理论反步推导提出控制律。三维轨迹跟踪的复杂性表现在运动方程的耦合性，在不计入横滚运动的影响下，通过设计期望的艏向角、纵倾角，将运动方程变为几个子系统，通过合适的形式得到级联系统，则直线轨迹跟踪转化为级联系统的镇定问题。采用李亚普诺夫函数设计得到控制律，应用级联系统定理证明了控制律的有效性。曲线轨迹跟踪首先设计使受驱动方程速度误差稳定的控制律，再根据轨迹跟踪误差，通过线性理论分析得到控制律中的虚拟参考量。仿真实验验证了提出的控制律的有效性，并具有良好的控制性能。在获得AUV的控制律的基础上，即可以得到运动过程中AUV所受的推力以及转矩的大小变化曲线，将对应的推力和转矩反馈在AUV的螺旋桨转速和舵翼的操舵角上这一工程应用，在文中对三维直线轨迹跟踪的推力反馈问题进行了探讨。

全文目录


摘要  5-7
Abstract  7-11
第1章 绪论  11-19
  1.1 引言  11
  1.2 AUV 采用欠驱动形式的原因  11-12
  1.3 欠驱动 AUV 的控制研究现状  12-17
  1.4 论文安排  17-19
第2章 欠驱动 AUV 运动特性分析  19-33
  2.1 AUV 动力学本质非线性  19-22
  2.2 动力学一般方程  22-25
  2.3 非完整特性分析  25-27
  2.4 物理约束  27-28
  2.5 可控性分析  28-32
  2.6 小结  32-33
第3章 欠驱动 AUV 的水平面运动控制  33-52
  3.1 李亚普诺夫稳定性理论概念  33-34
  3.2 李亚普诺夫直接法  34-35
  3.3 AUV 水平面镇定控制  35-42
    3.3.1 运动方程  36
    3.3.2 AUV 动力学运动方程  36-37
    3.3.3 级联系统建立  37-39
    3.3.4 镇定控制器的设计  39-41
    3.3.5 镇定仿真试验  41-42
  3.4 AUV 的水平面轨迹跟踪控制研究  42-51
    3.4.1 虚拟参考轨迹方程  43
    3.4.2 轨迹跟踪误差  43-44
    3.4.3 基于级联系统的控制器的设计  44-47
    3.4.4 轨迹跟踪仿真  47-51
  3.5 小结  51-52
第4章 欠驱动 AUV 的三维镇定控制  52-62
  4.1 四元数  52-53
  4.2 运动方程转化  53-54
  4.3 AUV 的镇定设计  54-58
  4.4 镇定仿真  58-61
  4.5 小结  61-62
第5章 欠驱动 AUV 的三维轨迹跟踪  62-81
  5.1 AUV 三维直线轨迹跟踪控制  62-76
    5.1.1 运动模型的建立  62-63
    5.1.2 引理  63-64
    5.1.3 纵向速度控制  64
    5.1.4 垂直面直线轨迹跟踪  64-68
    5.1.5 水平面直线轨迹跟踪  68-73
    5.1.6 轨迹跟踪仿真  73-76
  5.2 AUV 三维轨迹跟踪控制  76-80
    5.2.1 动力学控制设计  76-77
    5.2.2 运动学控制设计  77-79
    5.2.3 轨迹跟踪仿真  79-80
  5.3 小结  80-81
第6章 推力反馈  81-88
  6.1 螺旋桨推力  81-82
  6.2 舵翼转矩计算  82-83
  6.3 推力分析  83-87
    6.3.1 纵向推力分析  83-85
    6.3.2 水平面转首力矩分析  85-86
    6.3.3 垂直面纵倾力矩分析  86-87
  6.4 小结  87-88
结论  88-89
参考文献  89-94
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  94-95
致谢  95

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人
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