海洋探测装备是人类探索、开发和利用海洋的主要工具，为人类拓宽物质资源和生存空间发挥着重要的作用。随着深海科学研究的不断深入，现有海洋装备已难以满足海底广域范围位置序列探测和局域范围时间序列测量等新的科考需求，本课题组提出研制一款新型自主式深海着陆车，它将稳定的履带式移动底盘和传统的浮游式水下机器人技术相结合，是海洋开发中迫切需要的一种自主能力较强的海底移动作业平台，其运动建模、状态分析与控制方法等理论很不成熟，缺乏完整的研究体系，明显滞后于实际工程应用。因此，本论文以保障深海着陆车稳定运动控制和安全科考作业为目标，对其潜浮运动特性与配载控制、坐底冲击特性与结构优化、扰动偏差特性与状态预测以及爬行运动特性与跟踪控制研究进行一次全面、系统的有益尝试，力图为深海着陆车系统的改进与实际科考作业应用提供理论和方法的指导。

本论文的主要研究工作和贡献如下：

基于深海着陆车科考作业基本流程，阐述了三维空间综合运动学和动力学基本建模方法。在此基础上，通过分析简化海水中非线性力学耦合的潜浮运动过程，建立了海水中垂直面和水平面潜浮运动解耦模型；同时讨论复杂海底非结构起伏地形的爬行运动过程，建立了海底可控自由度运动学和动力学模型，为深海着陆车运动特性分析与控制奠定基础。

基于深海着陆车实际科考作业的特点，分析了定常潜浮运动基本模型，并考虑利用计算流体力学仿真参数辨识所获得的水动力模型参数和基于重浮心移动状态构建的潜浮姿态变化关系等因素，建立了定常潜浮过程的运动姿态及运动速度和两级压载铁的配载质量和安装位置的综合分析模型，并分别针对下潜和上浮过程开展了基于时间最短的配载参数优化设计；对6种拟坐底状态冲击硬质岩石海底和稀软泥质海底分别进行分析，由此对底盘关键结构部件进了优化改进，从而提高了潜浮运动的效率和坐底过程的安全性。

考虑深海着陆车在海底运动的实测数据难以获取，通过搭建深海着陆车缩比测试样机和虚拟仿真样机，获取了少量高可信度实际测试样本数据和大量低可信度模拟仿真样本数据，并利用两种具有时间序列非确定扰动偏差特征的样本数据进行变可信度数据融合，同时提出了基于粒子群算法优化的支持向量回归模型进行高精度非线性预测，从而建立了由当前运动状态和环境参数便可获得时间序列非确定扰动偏差的高精度预测模型。

分析了自抗扰控制技术在解决深海着陆车受严重非确定扰动影响时，易引起状态观测器负担和执行器频繁抖动等方面的问题，提出了预测补偿型自抗扰控制，并设计了线性跟踪微分器和预报型扩张状态观测器，通过将高精度时间序列非确定扰动偏差的预测模型融入至自抗扰控制的模型中，从而设计出了具有预测补偿能力的自抗扰跟踪控制器。通过理论分析证明了算法的收敛性和稳定性，并通过仿真分析，从线性常数的选取方法、预报型扩张状态观测器的观测能力、预测补偿型自抗扰控制器性能以及典型期望运动路径的跟踪等验证了算法的有效性。

对潜浮过程的运动状态和坐底过程加速度变化进行了水池测试，并对传统自抗扰控制和预测补偿型自抗扰控制分别跟踪直线、圆形和正弦曲线等典型期望运动路径等情况进行了水池实验，验证了本论文部分研究内容的有效性。

综上所述，基于深海科学对海底科考提出的新需求，本论文针对课题组正在研制的深海着陆车系统，围绕其科考作业各阶段的运动过程，系统地开展了深海着陆车潜浮运动特性分析与配载参数优化设计、坐底冲击特性分析与底盘关键结构优化改进以及海底爬行运动特性分析与预测补偿型跟踪控制方法等方面的研究，并通过软件仿真分析和水池实验测试对所开展的研究内容进行分析讨论与有效性验证。