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深水自主水下航行器导航与运动控制系统的设计与研究

作　者: 向晔
导　师: 王树新；孙思萍
学　校: 天津大学
专　业: 机械工程
关键词: 水下自航行器组合导航定位联邦Kalman滤波算法航迹规划与解析分段PID运动控制算法
分类号: U674.941
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 5次
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内容摘要

拥有丰富石油能源和矿物资源的海洋，是世界各国利益竞争的新空间，水下自航行器（Autonomous Underwater Vehicle，简称AUV）作为一种可以在水下移动，并能搭载勘察、测量传感设备的装备，在海洋开发领域的作用日益显著。AUV水下自主航行，人为干预指令滞后甚至无法被响应，所以必须依托于逻辑清晰、性能可靠的控制系统。本文基于模块化的分布式控制系统结构，重点研究AUV导航定位控制系统和运动控制系统。项目课题建立了以PHINS惯导为核心的组合导航定位系统，并开发了GPS、DVL、深度计、USBL超短基线等辅助导航设备与PHINS系统的硬件通讯链路和数据融合技术。在此基础上，本文提出适合水下自航行器导航定位技术的联邦Kalman滤波算法，并根据实际工况条件选择设计基于无重置结构的联邦滤波器，充分利用各导航传感器的测量数据，大幅提高系统的容错性和可靠性。通过试验验证了PHINS/DVL组合导航的精度以及USBL超短基线的位置修正技术。为提高AUV航迹跟踪能力，本文开发了一套简单、合理、可靠的航迹规划与解析系统。结合自主研发的矢量推进机构，本文选择了合适的动力驱动电机和俯仰/航向控制舵机，基于安全性和可靠性考虑，开发了适当的主推电机以及舵机的控制方法，并提出基于模糊控制的分段PID运动控制算法，提高了执行机构对不同工作环境的响应能力。本文还研发了内容完善、性能可靠的应急保护措施，加强了AUV的航行安全性。通过水域试验，修正控制逻辑和算法，并根据AUV航行状态实时整定动作执行机构的PID控制参数，最终实现了AUV的水平航向控制、定深控制和定高控制。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-15
  1.1 引言  8-9
  1.2 无人自主水下航行器（AUV）控制系统的研究现状  9-13
    1.2.1 导航控制系统的研究现状  10-12
    1.2.2 运动控制系统研究现状  12-13
  1.3 课题来源和意义  13-14
  1.4 本文主要工作  14-15
第二章导航定位系统的设计研究  15-37
  2.1 引言  15
  2.2 组合导航定位系统组成  15-18
    2.2.1 导航定位传感器布局  15-16
    2.2.2 导航传感设备硬件链路连接  16-17
    2.2.3 组合导航定位技术数据融合  17-18
  2.3 Kalman 滤波数据融合算法  18-23
    2.3.1 Kalman 滤波算法基本工作原理  18-21
    2.3.2 联邦 Kalman 滤波算法  21-22
    2.3.3 联邦滤波器的设计结构  22-23
  2.4 导航定位系统的联邦滤波器数据融合算法  23-28
    2.4.1 各子系统状态向量的选取以及状态方程的建立  24-26
    2.4.2 局部滤波器状态方程和量测方程的建立  26-27
    2.4.3 滤波器数据计算和融合  27-28
  2.5 PHINS 与 DVL 组合导航精度校准  28-31
  2.6 USBL 超短基线定位系统对水下 AUV 位置的修正  31-36
    2.6.1 USBL 超短基线定位系统  31-32
    2.6.2 水下声通信系统  32-33
    2.6.3 USBL 定位系统的位置修正  33-36
  2.7 本章小结  36-37
第三章运动控制系统的设计研究  37-59
  3.1 引言  37
  3.2 执行机构的电机控制  37-45
    3.2.1 螺旋桨动力推进控制  38-40
    3.2.2 俯仰及航向舵机的控制  40-45
  3.3 航迹规划与解析  45-49
    3.3.1 航线设置  46-47
    3.3.2 航点编辑  47-49
  3.4 航行运动控制算法  49-56
    3.4.1 模糊控制算法  50-51
    3.4.2 分段 PID 算法  51-52
    3.4.3 水平航迹控制  52-54
    3.4.4 纵垂面航迹控制  54-56
  3.5 航行运动的保护措施  56-57
    3.5.1 水面安全保障措施  56
    3.5.2 水下避障保护  56-57
  3.6 本章小结  57-59
第四章深水 AUV 水域试验研究  59-67
  4.1 水面航向控制航行试验  59-62
    4.1.1 水面直航试验  59-60
    4.1.2 转弯机动性试验  60-61
    4.1.3 梳形航线航行  61-62
  4.2 航行器定深航行  62-64
  4.3 航行器定高航行  64-66
  4.4 本章小结  66-67
第五章全文总结与展望  67-69
  5.1 全文总结  67
  5.2 工作展望  67-69
参考文献  69-73
发表论文和参加科研情况说明  73-74
致谢  74

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