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水下机器人运动稳定性控制方法的研究

作　者: 盛超
导　师: 曾建辉
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 导航、制导与控制
关键词: 水下机器人 运动学建模 稳定性控制 无源自适应
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


随着世界各国对海洋研究和开发的不断深入以及国防建设的需要，无人水下机器人在科学实验、海底石油和天然气的勘探和检测、军事等方面起着越来越重要的角色。水下机器人运动稳定性是保障水下机器人安全可靠作业的关键，而使水下机器人受扰后自行回到初始运动状态是稳定性控制研究的主要内容，因此研究稳定性控制方法就变得十分必要了。本论文首先对水下机器人的总体结构及其在水中的运动特性进行了分析，建立由主推进器、双垂推进器及双侧推进器组成的水下机器人系统的动力学模型，对水下机器人进行基本的流体动力分析，在此基础上建立水下机器人的运动学方程。其次着重对水下机器人运动稳定性进行研究，对系统关键的几个方面进行了分析，建立了直线、方向和位置的运动稳定性分析方法，确定定倾中心的稳定性，制定了纵向稳定性和侧向稳定性准则，提出了基于特征值的稳定性要求。再次介绍了水下机器人运动控制器系统设计，确定了控制器基本控制方法，并进行了仿真比较；在此基础上设计了无源自适应控制器，并在此基础上研究了无源变结构自适应控制器，并分别进行仿真分析和结果比较；针对水下机器人在水中悬停和运动时易受海流影响的问题，建立了自适应补偿方法，进而确定了输入的不确定性补偿方法。最后以研制的无人水下机器人系统为主建立实验平台，进行多方向的运动稳定性控制实验，通过实验修正稳定性控制参数，验证了设计的水下机器人运动稳定控制器的有效性和可靠性。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第1章 绪论  11-19
  1.1 课题研究目的和意义  11-12
  1.2 水下机器人的发展现状  12-16
    1.2.1 国外研究现状  12-15
    1.2.2 国内研究现状  15-16
  1.3 运动稳定性的研究  16-17
  1.4 本文的主要研究内容  17-19
第2章 水下机器人的运动建模  19-32
  2.1 水下机器人的结构  19
  2.2 坐标系及坐标转换  19-21
  2.3 动力学方程的建立  21-25
  2.4 基本的流体动力  25-30
    2.4.1 附加质量  25-26
    2.4.2 潜在阻尼  26
    2.4.3 重力和浮力  26-27
    2.4.4 Froude- Krilloff 力  27-28
    2.4.5 粘性阻力  28
    2.4.6 推力  28-30
  2.5 水下机器人的运动学方程  30-31
  2.6 本章小结  31-32
第3章 水下机器人的运动稳定性  32-44
  3.1 运动稳定性的基本定义  32-33
    3.1.1 平衡状态的定义  32
    3.1.2 平衡状态运动稳定性的定义  32
    3.1.3 运动稳定性的定义  32-33
  3.2 水下机器人运动稳定性的研究  33-43
    3.2.1 直线，方向和位置的运动稳定性  33-36
    3.2.2 定倾中心稳定性  36-37
    3.2.3 纵向稳定性准则  37-39
    3.2.4 侧向稳定性准则  39-41
    3.2.5 基于特征值的稳定性  41-43
  3.3 本章小结  43-44
第4章 水下机器人的运动控制器设计  44-61
  4.1 计算扭矩控制器的设计  44-50
    4.1.1 PD 跟踪控制器  45
    4.1.2 PID 跟踪控制器  45-47
    4.1.3 仿真实验与结果分析  47-50
  4.2 无源自适应控制器的设计  50-55
    4.2.1 无源自适应控制器（PBAC）  50-52
    4.2.2 无源变结构自适应控制器（VS-PBAC）  52-53
    4.2.3 仿真实验与结果分析  53-55
  4.3 海流引起干扰的自适应补偿  55-59
    4.3.1 受海流干扰的无源自适应控制器  55-56
    4.3.2 仿真实验与结果分析  56-59
  4.4 输入的不确定性补偿  59-60
  4.5 本章小结  60-61
第5章 实验结果与分析  61-68
  5.1 实验平台简介  61-62
    5.1.1 实验水池  61
    5.1.2 实验系统软件平台  61-62
  5.2 水平面航行控制稳定性实验  62-65
    5.2.1 水平面航行直线稳定性实验  62-64
    5.2.2 水平面航行方向稳定性实验  64
    5.2.3 水平面航行转向稳定性实验  64-65
  5.3 水平面航迹跟踪实验  65
  5.4 垂直面航行控制稳定性实验  65-66
  5.5 三维航迹跟踪实验  66-67
  5.6 本章小结  67-68
结论  68-69
参考文献  69-74
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  74-75
致谢  75

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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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