轻型长航程AUV关键技术及控制问题研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 黄琰1,2
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| 答辩日期 | 2020-02-26 |
| 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 | 俞建成 |
| 关键词 | 轻型长航程AUV 优化设计 动力学建模 模糊PD控制 模型预测控制 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 模式识别与智能系统 |
| 其他题名 | Research on Key Technologies and Control Problems of Lightweight Long-range AUV |
| 英文摘要 | 海洋科学研究的进步与海洋观测技术的发展密不可分。随着海洋观测技术向机器人化观测方向迈进，自主水下机器人（Autonomous Underwater Vehicle，简称AUV）将在海洋科学研究中发挥越来越重要的作用。复杂多变的海洋环境将影响AUV的航行性能，海水密度变化对长航程AUV的影响尤为显著。大范围跨越不同水团、从海表到深海，海水密度变化将超过3%。传统的AUV为了保持航行状态，通常通过主动持续的做功克服海水密度变化引起的净浮力，导致航行效率的降低。 具有浮力和重心自适应调节能力的轻型长航程AUV是面向长时间、大范围海洋环境观测需求，以小型化、智能化、低成本为目标而研发的一种新型海洋观测型AUV。轻型长航程AUV的排水体积和重心位置可自适应调节，使得其可以最大限度减少海洋密度变化带来的航行效率损失。为了提升轻型长航程AUV的续航能力，开展优化设计方法研究是前提条件。而轻型长航程AUV控制相关问题，包括面向可变浮力与重心位置的AUV系统动力学建模、净浮力和重心偏移等关键参数在线估计、面向高效航行的控制器设计等都是轻型长航程AUV需要研究解决的问题。本论文以轻型长航程AUV作为研究对象，围绕设计方法、动力学模型、控制算法以及系统方案设计等方面，开展了面向长续航力的航行控制和关键技术研究，为轻型长航程AUV研制提供理论基础。论文的具体内容如下：（1）对轻型长航程AUV的长续航力关键技术进行了梳理。以提升AUV航行效率为优化目标，阐述了轻型长航程AUV的外形优化方法、桨机体综合优化方法，通过分析AUV零攻角高效航行原理，提出了一种适用于轻型长航程AUV的浮力均衡系统方案并分析了其控制问题。（2）采用机理建模的方法对可变浮力、重心位置的AUV开展动力学建模。根据AUV动力学模型及状态方程中未知参数的产生机理不同，将轻型长航程AUV的模型参数划分为水动力参数和执行机构参数，并针对不同参数开展了参数辨识，获得了轻型长航程AUV的动力学模型参数。针对轻型长航程AUV长航时航行过程中，因环境密度改变引起的自身剩余浮力参数和重心位置的改变量无法直接测量问题，开展了基于卡尔曼滤波的轻型长航程AUV净浮力量和重心偏移量在线辨识算法研究。（3）针对AUV在稳定的海洋环境下的长期大范围低功耗高效巡航的需求，研究了不依赖动力学模型的模糊PD零攻角航行控制方法，实现了垂直面多驱动机构协同控制下的AUV零攻角航行，并进行了系统仿真和实际试验验证。（4）针对AUV在海水密度突变、背景流复杂、近底航行等复杂海洋环境下的高效航行问题，研究了基于多模型预测控制的零攻角航行控制方法。针对重心调节和浮力调节存在耦合问题，建立了浮力和重心分时调节的多模型预测控制器，同时考虑了实际控制输入量的约束情况。通过仿真验证了AUV使用该算法在海洋环境发生变化的条件下保持零攻角航行的能力。（5）开展了轻型长航程AUV——“海鲸2000”AUV的研制。阐述了“海鲸2000”AUV的总体布置、主要执行机构、电控系统、软件系统的设计方案，最后给出了与本文研究相关的海上试验验证结果。 |
| 语种 | 中文 |
| 产权排序 | 1 |
| 页码 | 131页 |
| 源URL | [http://ir.sia.cn/handle/173321/27162]  |
| 专题 | 海洋机器人卓越创新中心 |
| 作者单位 | 1.中国科学院沈阳自动化研究所; 2.中国科学院大学 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 黄琰. 轻型长航程AUV关键技术及控制问题研究[D]. 沈阳. 中国科学院沈阳自动化研究所. 2020. |
入库方式： OAI收割
来源：沈阳自动化研究所
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