欠驱动AUV水平面动力定位控制方法研究

以欠驱动自主水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)为试验平台,提出了一种水平面动力定位控制方法。根据自研 AUV 平台的运动执行机构配置,针对其欠驱动特性设计运动控制器,控制纵向推力与转艏力矩,经过路径跟踪与区域镇定两个阶段,使航行器先沿预设路径快速接近目标点,再低速逐渐调整水平位置,最终在该点附近小范围内保持悬停。结合试验数据证明：航行器可抵达并稳定在目标点附近 2 m 范围内,并且在受到外力扰动偏离后能够重新返回,从而验证该动力定位控制方法的有效性。     

基于模型预测控制算法的轻型长航程AUV航控系统研究

针对海洋时变中小尺度过程长期精细观测需求,研制了一种轻型长航程AUV。这种AUV的最大特征是借鉴了水下滑翔机的变浮力、重心可调执行机构,使得其具备海洋环境自适应能力,可在不同海水密度条件下实现零攻角高效航行。首先介绍了轻型长航程AUV的系统组成,讨论了这种可变浮力、可调重心AUV的航行控制系统设计;针对这种AUV新增的浮力和重心两个控制输入量间存在系统耦合的问题,开展了基于模型预测算法的零攻角定深航行控制器研究,着重阐述和推导了控制目标的修正、面向控制的动力学建模以及模型预测控制器的设计过程;最后通过仿真验证了所述方案和方法的可行性。该研究有利于提高轻型长航程AUV的航行效率,进一步提升AUV的续航能力。     

多自主式水下航行器协同控制的人工物理法研究

对水下多自主式水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)的编队协同控制和队形重构技术进行研究是水下AUV系统协同完成作业任务的重要研究内容。人工物理法通过设定虚拟的物理力完成机器人速度和方向信息的计算,并根据结果进行实时控制。由于分布式具有对水下传感信息和通信的依赖度较低的控制特点,因此可以很好的应用于可扩展的水下多AUV协同控制中。本文采用人工物理法完成多AUV的队形协同控制,研究了7个AUV采用人工物理法保持六边形队形,进行编队控制穿越障碍区间,AUV通过传感器探测外界环境,获得相关环境信息并确定障碍物的位置;AUV编队在穿越障碍区间时转换为一字队形,并采用边界检测法,沿边行走绕过障碍物;在穿越障碍区间后,AUV编队再次转换为六边形;依据判决条件完成多智能体控制的模态转换,进行队形重构。仿真结果证明本章所提方法的有效性,并具有较好的适时性与柔性。     

波浪驱动推进机构的最优水翼倾角的确定

波浪可以为海上航行器提供运动的能量,实现长时间、大范围的机动运动。一般认为波浪能驱动推进机构的水翼的摆角对推进性能有显著影响。本文提出了一种确定波浪驱动机构最优水翼倾角的方法。基于绝对坐标系和Kane方程建立了通用波浪驱动推进机构的动力学模型,确定了模型中波浪产生的推进力组成,采用"机构冻结"的方法,计算了任意时刻水翼的最优转角,分析该角度与推进机构瞬时速度的关系。该研究对于改进推进机构的设计、合理规划水翼摆动规律具有借鉴意义。     

AUV重力测量的运动加速度建模及平台优选

针对适合捷联式重力仪的AUV搭载平台的选型问题,基于国内AUV实际航行数据,分析了多推进器组合、推进器和浮力舱组合、推进器和鳍舵组合等3类AUV的定深航行运动特性;推导了AUV水下航行在3个坐标轴方向上对重力仪产生的运动加速度计算公式,得到运动加速度与AUV水下6个自由度运动要素的解析表达式;基于运动加速度分析,讨论了适用于水下移动重力测量的AUV平台和推进装置设计,进行了AUV搭载平台的优选,并给出了重力仪安装位置建议;选定的AUV实验平台实施移动重力测量验证试验重复线精度达到0.42mGal,验证了搭载平台优选的有效性。     

AUV水下对接装置控制系统设计

自主式水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle,简称AUV)在航行使命结束后需要回收至甲板或陆地进行补给和维护。为避免重复布放回收所带来的不便,根据锥形导向式回收原理,针对水下对接装置及其控制系统进行了设计。水下对接装置控制系统由水面控制终端,水下控制系统和水下外部设备等部分组成,使用超短基线引导AUV进入指定区域,在对接过程中依靠行程开关和无线电反馈的信息判断AUV的相对位置及状态,并通过驱动相应的液压机构对AUV姿态进行校正和固定,进而完成对接过程。水下对接装置在千岛湖进行了试验,在吊装水下7 m的情况下实现了AUV的水下对接,并利用湿插拔电连接器完成了对AUV的有线充电和数据上传。试验验证了对接方案的可行性以及控制系统的稳定性,为将来AUV能够进行长时间、不间断航行提供了可能。     

自主水下航行器离散反馈避碰设计及仿真

为了使自主水下航行器(AUV)避碰仿真更接近实际情况,在离散时间系统中考虑海流作用,设计了AUV反馈避碰算法.针对海底探测AUV的运行特点,考虑海流作用,建立AUV垂直平面的状态空间方程.在每一个离散时间节点.利用障碍物高度信息,计算下一时刻AUV的深度目标值.然后利用反馈控制方法对其响应,在仿真时间内不断循环完成避碰仿真.对不同流场下不同高度的矩形障碍物,进行了避碰仿真.仿真结果证明了系统的可行性和合理性.     

深水AUV系统湿模态分析

以国家科技重大专项研制的深水AUV系统为研究对象,借助商业软件ANSYS,从一个新的角度——AUV湿模态分析,研究了各种外界激励的频率特性。为避免AUV发生共振,应保证AUV所受到的各种外界激励的频率远低于AUV的第7阶固有频率,基于此,我们对AUV航行时的干扰源、AUV搭载的机械结构以及AUV附属结构的对于AUV本体的产生的激励频率进行了计算。计算结果显示,低于AUV本体的固有频率,不会对AUV的稳定性产生影响,实现了AUV本体振动不会影响各传感器的正常工作的设计。     

基于分布式控制力矩陀螺的水下航行器轨迹跟踪控制

基于控制力矩陀螺群(CMGs)的水下航行器具有低速或零速机动的能力。采用基于分布式CMGs的水下航行器方案,并研究其水平面的轨迹跟踪控制问题。通过全局微分同胚变换将非完全对称的动力学模型解耦成标准欠驱动控制模型,并根据简化的模型构建其轨迹跟踪的误差动力学模型,将轨迹跟踪控制问题转化为误差模型镇定问题。基于一种分流神经元模型和反步法设计了系统的轨迹跟踪控制律,该控制器不需要对任何虚拟控制输入进行求导计算,且能确保跟踪误差的最终一致有界性。仿真结果表明该控制器能够实现在不依赖动力学参数先验知识的情况下对光滑轨迹的有效跟踪。     

随机波浪作用下海洋平台主动控制的时滞补偿研究

基于预测控制理论，研究了适用于海洋平台的时滞补偿控制算法。该方法借助于随机波浪力的近似公式和卡尔曼滤波原理，推导出了随机波浪力向前一步预测公式，同时采用卡尔曼滤波方程，实现了对状态向量向前一步预测。利用随机波浪力及状态向量的实时在线预测公式，推导出最优控制力向前一步预测的表达式。在此基础上，发展了不仅适用于反馈控制系统而且适用于前馈-反馈控制系统的时滞补偿算法。采用一典型海洋平台为数值算例，计算结果表明，该方法在一定时滞范围内对海洋平台主动控制中时滞的补偿效果是显著的。     

面向回坞任务的AUV航向控制方式研究

AUV自主回坞是实现其水下回收和能源补充的基础,回坞过程中的航向控制技术是能否成功回坞的关键,介绍了基于超短基线声学传感器引导的某重型AUV的回坞方案设计、制导原理和路径跟踪控制方法;研究了水平面内航行器路径跟踪的航向控制问题,提出了回坞时,可以增加横贯推进器或侧翼推进器来进行航向控制的方法。通过湖上试验,验证了以上方法和算法的有效性并得出以下结论:两种方法都适用于水下回坞,侧翼转向更适合有小区域转向需求的AUV;采用横贯推进器进行航向调整,AUV转弯过程深度变化小,深度偏差均值在0.5 m以内;在对折线形的路径进行跟踪时,跟踪能力更强,末程入坞阶段,与设定航线距离偏差均值比侧翼转向方式小0.34 m。     

基于RT-Thread的波浪滑翔器控制系统设计与实现

波浪滑翔器是一种新型海洋无人自主航行器，拥有无污染、能耗低、续航时间长、航程远、生存能力强等诸多特点，已逐步成为国内外研究的热点。控制系统作为波浪滑翔器的重要组成部分之一，它的稳定与准确性直接影响着波浪滑翔器的航行性能尤其是走航和定点的控位精度。介绍了一种基于 RT-Thread 实时操作系统的波浪滑翔器控制系统设计，通过多次海上长时间连续试验表明，基于 RT-Thread 的波浪滑翔器控制系统具有良好的准确性和可靠性。     

LMAUV远程投送水雷雷位散布特性分析

基于 LM AUV 远程投送水雷使用特性的分析,梳理了 AUV 远程投送水雷时,雷位误差主要包括平台定位误差、航行误差和水雷末弹道误差,并构建了相应的散布概率函数,建立雷位散布模型。最后, 通过 MATLAB 程序仿真研究流速、水深及自主航距等因素对 AUV 远程投送水雷雷位散布的影响。     

多AUV系统的自适应有限时间一致性跟踪控制

本文将自适应技术与有限时间技术相结合,研究了分布式自治水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle,简称AUV)系统的自适应有限时间一致性跟踪控制问题。首先,应用图论相关知识描述多AUV间的通信拓扑;其次,对每个跟随AUV的运动与受力进行了分析,建立了基于位置姿态与速度姿态的二阶系统模型;然后,设计了非奇异快速终端滑模,并基于此对每个跟随AUV构建了连续分布式控制律,利用自适应律估计阻尼,恢复力和外部干扰的上界;最后,利用SIMULINK仿真来验证跟随AUV的位置与速度跟踪效果,直观地阐明了本文所提算法的有效性。     

基于浮力调节的液压系统动态特性仿真

AUV在水下作业时浮力会受到海水温度、深度等的影响而发生变化,为了解决浮力变化引起的航行性能问题研制了浮力调节装置,它对于大航程、大潜深AUV的发展具有重要的意义。针对以上问题,设计了一套活塞缸式浮力调节装置,它利用液压系统驱动液压缸吸排海水改变浮力从而实现浮力调节的目的,浮力调节的大小是通过直线位移传感器测量油液的改变量间接计算得到的;接着利用AMESim进行液压系统仿真,重点分析了液压缸的动态特性,为实际系统的试验提供了理论的指导意义;最后为了验证液压库建模和HCD库建模的等效性,采用HCD库建模进行比较分析。     

6 000米AUV深海试验研究

简要介绍6000米AUV的总体结构和主要功能,重点研究AUV深海试验中的无动力下潜试验和载体浮力测量试验,提出三种深海浮力测量方法。根据试验数据,通过调整载体配重,在控制特性不变的情况下,使AUV在水下航行达到能量最优。此方法是一种理论和工程实际相结合的方法,对于其它类型深水AUV试验具有指导意义。     

悬停式AUV控制策略研究

以悬停式AUVMM-01为试验平台,设计一种基于行为的控制体系结构。将AUV的行为划分为漫游、巡航和避障三个基本行为,并将模糊控制引入避障行为中,通过基于优先级的仲裁方式实现三种行为的有序协调,完成预定任务。同时,针对AUV的悬停需求,提出了增加内环速度反馈实现AUV稳定悬停的控制方法,定义一种新的高层自治控制系统与底层运动控制系统的接口。最后,通过建立整个系统的Simulink仿真模型,验证了该控制策略的有效性。     

浅浸没水平圆柱浮子波浪力计算研究

以海漂垃圾收集装置浮式围栏的圆柱浮子为研究对象,基于圆柱浮子的浅浸没特性,改进了Morison方程,并结合物理模型试验,对波浪与浅浸没水平圆柱浮子作用问题进行探讨。结果表明,改进的Morison方程可对水平圆柱浮子的波浪力做精确预测,并揭示了波幅、浸没深度以及周期对圆柱浮子波浪力的影响规律。对于浅浸没的圆柱浮子,所受水平波浪力随波高的增大而增大,随周期的增大而衰减到某一特定值。波浪力的正向大小分布要大于负向,而正负向大小的差异主要受浸没深度的影响。     

一种新型二阶全非线性Boussinesq方程及其数值验证

通过改进二阶全非线性 Boussinesq 波浪方程中的色散项,得到了一组没有改变原方程的数学形式但适用于更大变化水深的新方程,其色散性能和变浅性能都比原方程有了很大改进,所适用的水深范围更大,能更好地描述从深水到近岸浅水处的波浪传播;并基于新方程建立了波浪数值模型,通过模拟波浪从浅水到深水的传播变形来验证新方程的有效性.     

桩群上的最大总波浪力

桩群上的总波浪力基于线性化的Morison方程,作用在桩群上(图1)的总波浪力F(t)及总波力矩M(t)为:.