自治水下机器人回坞系统设计与控制方法研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 吕厚权1,2 |
| 答辩日期 | 2019-05-17 |
| 授予单位 | 中国科学院沈阳自动化研究所 |
| 授予地点 | 沈阳 |
| 导师 | 郑荣 |
| 关键词 | 水下对接 自主入坞 AUV 路径跟踪 模糊PID |
| 学位名称 | 硕士 |
| 学位专业 | 机械工程 |
| 其他题名 | Research on Docking System Design and Control Algorithms of Autonomous Underwater Vehicles |
| 英文摘要 | 自治水下机器人（Autonomous Underwater Vehicle, AUV）在人类探索海洋的过程中扮演着重要的角色，它极大地提高了人类探索海洋的能力。AUV自主入坞技术对发展水下自主回收、多AUV协同作业、海底组网观测、海陆空一体化作业具有重要的推动作用。论文以实际使用需求为导向，将AUV能够自主返回到坞站中实现数据交换和能源补给为目标研究了AUV的入坞技术。设计了适用于多种口径AUV包容式坞站，坞站共由五个部分构成：轴向限位机构、周向限位机构、电子仓、坞站主体、和圆锥形导向结构。周向限位机构巧妙的使用了连杆机构，使得该机构可以适用于多种口径的AUV，轴向和周向结构配合使用可以对AUV实现姿态调整，从而实现接插件物理连接。坞站使用液压系统作为传动装置。设计了基于超短基线的入坞方案。当坞站为固定坞站时，根据USBL定位数据和坞站结构规划出了最佳的U形状回坞路径，设计了用于回坞的路径跟踪控制律。当坞站为移动坞站时，以移动坞站运动特征为基准，建立了坞站坐标系，并对回坞区域进行了定义，设计了用于回坞的动态航路点和动态路径规划方法，提出了匹配路径特征的回坞导引和路径更新方法。研究了基于模糊理论的参数自调整PID算法，该算法在AUV原控制器的基础上对控制器参数进行在线调整，使其具有了一定的自适应特性。分析了模糊控制规则对控制效果的影响，提出了一种基于非线性函数的尺度变换方法处理控制器输入，简化了数据的量化过程。在基于Matlab/Simulink的仿真中，系统阶跃响应时，该方法相比PID算法能够获得较好的系统时间响应指标，对系统模型参数变化具有自适应特性；路径跟踪实验时，所设计方法在跟踪效果上更具有优势。通过AUV纯数字仿真体统对尺度变换函数的参数进行了优化。基于研究室现有AUV平台开展了大量的湖上试验，通过湖上试验验证了回坞方案、制导原理、和控制算法的有效性，航向控制方式对比试验中得出以下结论：两种方法都适用于水下回坞，采用横贯推进器进行航向调整，AUV转弯时深度变化小，深度偏差均值在0.5米以内；在对折线形的路径进行跟踪时，横贯推进器航向调整方式的跟踪能力更强，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米。移动入坞试验时，AUV在水下不同深度、以不同的速度回坞时，相关方法能够保证较高的入坞成功率，技术固化后的入坞测试中，入坞成功率在90%以上。航向控制算法对比试验中，改进后的算法在AUV航向控制中能够获得更好的控制效果，在大角度转向中，该控制算法的优越性明显：系统响应快，超调小，航向误差均方差小。 |
| 语种 | 中文 |
| 产权排序 | 1 |
| 页码 | 88页 |
| 源URL | [http://ir.sia.cn/handle/173321/25209]  |
| 专题 | 沈阳自动化研究所_海洋信息技术装备中心 |
| 作者单位 | 1.中国科学院大学 2.中国科学院沈阳自动化研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 吕厚权. 自治水下机器人回坞系统设计与控制方法研究[D]. 沈阳. 中国科学院沈阳自动化研究所. 2019. |
入库方式： OAI收割
来源：沈阳自动化研究所
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