Experimental Study of a Command Governor Adaptive Depth Controller for an Unmanned Underwater Vehicle

Unmanned Underwater Vehicles (UUVs) are increasingly being used in advanced applications that require them to operate in tandem with human divers and around underwater infrastructure and other vehicles. These applications require precise control of the UUVs which is challenging due to the non-linear and time varying nature of the hydrodynamic forces, presence of external disturbances, uncertainties and unexpected changes that can occur within the UUV’s operating environment. Adaptive control has been identified as a promising solution to achieve desired control within such dynamic environments. Nevertheless, adaptive control in its basic form, such as Model Reference Adaptive Control (MRAC) has a trade-off between the adaptation rate and transient performance. Even though, higher adaptation rates produce better performance they can lead to instabilities and actuator fatigue due to high frequency oscillations in the control signal. Command Governor Adaptive Control (CGAC) is a possible solution to achieve better transient performance at low adaptation rates. In this study CGAC has been experimentally validated for depth control of a UUV, which is a unique challenge due to the unavailability of full state measurement and a greater thrust requirement. These in turn leads to additional noise from state estimation, time-delays from input noise filters, higher energy expenditure and susceptibility to saturation. Experimental results show that CGAC is more robust against noise and time-delays and has lower energy expenditure and thruster saturation. In addition, CGAC offers better tracking, disturbance rejection and tolerance to partial thruster failure compared to the MRAC.     

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。     

基于圆柱多段拟合的隧道中轴线提取方法研究

提出基于圆柱多段拟合的隧道中轴线提取方法。首先对隧道点云数据进行预处理，并将点云按隧道走向分成不同区段；然后对各区段依据轴线与表面点云法线垂直关系，提取精度较低的中轴线；最后对各区段利用圆柱多段拟合，提取精度较高的中轴线。实验表明，隧道中轴线的提取在一定的采样区间具有较高的稳定性，对直线和弯曲的圆形隧道有良好的适用性，算法可靠，精度较高。     

一种有发展前景的隧道及井巷超前预报技术——电磁导弹探测技术

对于隧道和煤矿井巷的安全掘进 ,超前预报显得特别重要。但由于掌子面前的特殊环境限制及多种干扰的严重影响 ,给隧道及井巷超前预报技术的研究带来许多困难。在瞬变电磁理论的基础上 ,引入新的电磁传播理论———电磁导弹技术 ,作为对该技术的初步探索 ,文章论证了该技术在隧道超前预报中应用的可能性 ,并提出了研究的主要内容和发展方向以及可能取得的新的技术突破和技术支撑     

隧道工程地质评价的内容和方法

结合工程隧道实际,首先阐述了隧道工程的基本地质环境和工程地质条件,然后针对隧道工程可能出现的不良地质现象和可采取的工程措施,从大气降水、围岩稳定、围岩压力、洞口稳定、隧道比选等角度探讨隧道工程地质评价的主要方法和一般内容,进行隧道工程地质评价,为隧道施工、支护提供了依据.     

美国的地下空间开发和利用

通过对美国地下空间开发利用的考察,认为有如下特点,第一,结合城市建设,构筑地下铁道,第二立足于战略,建立水下通路,第三,地下空间的开发利用平战结合.这些方法对我国的地下空间开发利用值得借鉴.     

水下滑翔器主体外形优化设计

对水下滑翔器主体外形的优化设计问题进行研究.首先,在考虑内部机械结构限制的条件下,建立了主体外形优化数学模型,并采用CFX计算了若干主体形状的绕流阻力.在此基础上建立了映射主体外形的尺寸参数与绕流阻力的BP神经网络.然后将建立的神经网络作为优化设计问题的目标函数,采用坐标轮换法对滑翔器主体外形进行了优化设计,确定了尺寸参数的最优解.     

瞬变电磁法探测公路隧道工程中的不良地质构造

为了给公路设计部门提供选线依据,运用瞬变电磁法在山西境内的某两条高速公路隧道工程设计线路段上进行探测,以查明下覆不良地质构造的发育情况.通过对瞬变电磁法的探测能力进行理论上的讨论,对不同地电断面情况下的异常体电磁响应的定性分析,得出用瞬变电磁法探测不良地质体的可行性结论.经过资料处理,查出不良地质构造赋存的位置,解释结果与钻探资料完全吻合.     

TBM在不良地质洞条件下的施工技术

TBM掘进机以其快速、高效、安全、优质等优点越来越广泛地被应用于隧洞开挖施工中,尤其更适用于深埋超长隧洞,然而在不良地质洞段中TBM掘进缓慢,甚至有卡刀可能,反而不如钻爆法灵活,这就需要根据围岩性状采取特殊技术处理措施,辅以监控量测手段对支护方案进行验证、调整支护措施、修正设计参数等。结合辽宁大伙房输水隧洞工程,总结了在不良地质洞条件下的超前地质预报方法、不良地质段处理措施以及围岩变形监测方法。