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近壁面环境下UUV回收过程的自适应控制方法研究

作　者: 曲莹
导　师: 边信黔
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 水下无人航行器(UUV) 自适应控制 非线性干扰观测器(DOB) 平台搭载回收 近壁面
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


目前,随着世界范围内对海洋资源开发及海洋空间利用技术的不断探索,水下无人航行器UUV(Unmanned Underwater Vehicle)因为其具有作业模式灵活、隐蔽性高、安全性好等优点而引起各国工程人员越来越多的关注。当UUV完成任务后,或出现需要下载指令、上传数据或补充能源等情况时,UUV必须返回水下工作站。由于必须考虑UUV回收过程中隐蔽性、安全性及降低成本等方面的因素,UUV水下自主回收方式被越来越多地采用。本文采用平台搭载方式进行UUV水下自主回收,即在水下工作站背部为UUV设置专门的回收区域,该区域安装有短基线声呐、导引光源、锁紧装置等回收设施,UUV按照预先设计的控制和决策程序自主地坐落至该区域,并利用锁紧装置固定在水下工作站上,实现随艇而动,同时完成指令下载、数据传输或能源补充等工作。UUV回收坐落过程是一个从无限宽广水域到近壁面受限水域的过程。坐落过程中UUV受到的水动力特性与宽广水域下相比发生变化,而且规律复杂,若仍以无限宽广水域下的UUV运动模型对所设计的控制器进行仿真来验证其性能的可靠性,这是没有说服力的。考虑到目前对于该问题仍没有相对成熟的理论做为依据,论文采用计算流体动力学软件Fluent对近壁面环境下UUV回收坐落过程中受到的水动力进行数值模拟计算,对计算所得到数据进行回归分析,总结出近壁面环境下,在UUV回收坐落过程中水动力随UUV高度不同的变化规律,并拟合出此过程的干扰计算公式,最后再根据UUV回收时的运动特点,建立采用平台搭载方法进行回收时的UUV六自由度运动模型。由于UUV自身的非线性、弱观测、强耦合等特性,使UUV实现完全自主回收存在很多困难。采用传统的控制方法已经不能满足在复杂环境,尤其是在未知的近壁面环境下完成安全性和精确度都有很高要求的UUV水下自主回收,故本文采用自适应控制方法对UUV近壁面环境下自主回收过程的运动状态进行控制,这是因为自适应控制方法的特点在于它不仅能控制一个已知系统,还能控制一个完全或部分未知的系统,尤其适用于较为复杂的非线性系统。此外,本文还引入了非线性干扰观测器(DOB)作为控制回路的内环,它不仅能够有效补偿系统中的未知干扰,而且其内部的低通滤波器还可以消除由传感器引入的高频测量噪声对控制器的影响。本文最后进行了UUV回收系统的半实物仿真,利用建立的UUV近壁面回收过程的运动模型,通过不同的水动力环境、水下工作站的不同运动方式以及是否加入高频测量噪声等仿真方案,对应用于控制UUV回收过程中垂直面运动的基于非线性干扰观测器的自适应控制方法性能进行验证,并将控制结果与单纯自适应控制方法和传统的PID控制方法进行比较,证明了UUV回收自适应控制器在未知环境下的鲁棒性、自校正能力、以及抑制高频噪声的能力。

全文目录


摘要  5-7ABSTRACT  7-11第1章 绪论  11-22  1.1 课题研究背景目的和意义  11-13  1.2 国内外研究现状  13-20    1.2.1 UUV回收关键技术研究现状  13-18    1.2.2 近壁面受力研究现状  18-19    1.2.3 自适应控制方法研究现状  19-20  1.3 论文主要工作内容  20-22第2章 UUV回收过程中运动模型与操纵性分析  22-47  2.1 引言  22  2.2 UUV系统结构及执行机构  22-23  2.3 UUV坐标系统  23-26    2.3.1 坐标系与参数定义  24-25    2.3.2 坐标系变换  25-26  2.4 回收过程的UUV受力分析  26-35    2.4.1 UUV回收过程中艇体水动力分析  26-32    2.4.2 UUV执行机构动力分析  32-34    2.4.3 UUV回收运动静力分析  34-35  2.5 UUV回收过程空间运动方程  35-40    2.5.1 UUV回收过程的平移运动方程  35-36    2.5.2 UUV回收过程的旋转运动方程  36-38    2.5.3 UUV回收过程的空间运动模型  38-40  2.6 UUV回收系统操纵性分析  40-46    2.6.1 UUV主推进器推力与纵向速度间关系  40-41    2.6.2 UUV水平面定常回转运动特性  41-43    2.6.3 UUV垂直面运动特性分析  43-44    2.6.4 UUV采用辅助推进器进行回收的耦合性分析  44-46  2.7 本章小结  46-47第3章 近壁面回收过程中UUV受力分析与建模  47-60  3.1 引言  47  3.2 UUV近壁面环境下水动力仿真计算  47-54    3.2.1 计算流体力学简介  47-48    3.2.2 Fluent软件简介  48-49    3.2.3 近壁面环境下UUV回收过程的水动力仿真  49-54  3.3 近壁面环境下UUV回收过程的数学模型  54-59    3.3.1 近壁面环境下的水动力仿真数据分析  54-58    3.3.2 UUV回收过程的运动模型  58-59  3.4 本章小结  59-60第4章 基于非线性干扰观测器的自适应控制器设计  60-71  4.1 引言  60  4.2 UUV回收自适应控制器的设计  60-67    4.2.1 自适应控制概述  60-61    4.2.2 UUV回收系统模型变换  61-64    4.2.3 自适应控制在UUV回收过程中的应用  64-67  4.3 基于非线性干扰观测器的UUV回收自适应控制系统设计  67-70    4.3.1 基于非线性干扰观测器的UUV回收自适应控制系统  67-68    4.3.2 非线性干扰观测器设计原理  68-70  4.4 本章小结  70-71第5章 近壁面环境下UUV回收过程的控制仿真验证  71-85  5.1 引言  71  5.2 UUV回收系统总体结构  71-73  5.3 近壁面环境下UUV回收过程的运动控制仿真  73-84    5.3.1 UUV平台搭载回收策略简述  73-75    5.3.2 UUV回收仿真过程近壁面环境说明  75-76    5.3.3 UUV近壁面环境下回收仿真  76-84  5.4 本章小结  84-85结论  85-87参考文献  87-92攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  92-93致谢  93

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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 > 自动化系统 > 自动控制、自动控制系统
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