具有着陆坐底功能的水下自航行器系统控制与试验研究

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1、天津大学博士学位论文摘要在国家高技术研究发展计划(863计划)项目资助下，本论文研究开发了一种新型水下自航行器AUV-VBS(AutonomousUnderwaterVehiclewithVariableBuoyancySystems)。该系统具有着陆坐底功能、可实现长时间水下监测，对于海洋动力环境监测和军事领域具有重要的应用价值。本文以小型化、经济型为总体设计目标，主要研究了AUV-VBS的动力学仿真、系统控制与功能试验，并开发了原理样机。系统仿真与试验结果验证了本文研究理论与方法的正确性和有效性。论文主要研

2、究内容和成果如下：1)首创设计完成具有可着陆坐底功能的水下自航行器AUV-VBS原理样机及其系统控制，并实现系统航行与着陆坐底功能。2)建立了AUV-VBS的六自由度动力学模型，通过数值仿真验证了建模方法的『F确性和模型的有效性，并得到了AUV-VBS的一些重要运动参数。为了设计控制器的需要，运用解耦和小扰动理论，将AUV-VBS一般动力学方程简化为航速、航向、深度／倾角三个弱耦合子系统，获得了AUV简化线性控制模型，并对简化模型的有效性进行仿真验证。3)将CAN总线引入AUV-VBS控制系统硬件设计，设计了基

3、于CAN总线的分布递阶控制系统体系结构。制定了CAN总线的应用层协议、并编制了相应的系统软件。提出了完备的软硬件系统及采用的可靠性措施。本文所设计的控制系统具有可扩展、易移植等特征。4)针对PID控制器存在的局限性，在研究模糊与非模型滑模控制器的基础上，设计了滑模模糊控制器，并提出了其时间次优控制的实现方法。通过系统仿真与试验，显示了滑模模糊控制器所具有的诸多优点，验证了滑模模糊控制器的控制性能。5)水下着陆策略是实现AUV-VBS系统功能的关键技术，本文对AUV-VBS的水下着陆策略进行了详细系统的研究，提出

4、了四种着陆策略。通过仿真和试验研究总结了不同着陆策略的优缺点及适用范围。’6)针对本文所丌发的AUV-VBS进行了大量试验，包括实验室无水条件试验、水域试验、宽水域大深度试验和海试。采用系统仿真与试验结合的方法，进行了系统的试验研究。该试验不仅验证了本文研究理论与方法的正确有效性，而且得出了很多具有理论与实用价值的结论。关键词：水下自航行器(AUV)，动力学建模，滑模模糊控制算法(SMFC)，变浮力系统(VBS)，水下着陆，坐底测量天津大学博士学位论文ABSTRACTAnovelsmallmodularlOW—

5、COStAutonomousUnderwaterVehiclewithVariableBuoyancySystem(AUV-VBS)isdesignedanddevelopedinthedissertation．AUV．VBScancarryoutsuchassignmentsasunderwaterlanding．sitting—bottomandlong-timeobservations．Itcanbeusedforoceandynamicenvironmentmonitoringandmilitarymi

6、ssions．Thedissertationdealswithitsdynamicsmodeling，simulations，systemcontrolsandexperiments．Theresultsofsimulationsandexperimentsprovethatthetheoriesandmethodologiesappliedareproperandvalid．Themaincontributionsareasfollows：1)ThemechanicsandcontrolsystemsofAU

7、V_VBSareoriginallydesignedtOachievefunctionsoflong—rangenavigation，underwaterlandingandsitting—bottom．2、Asix—degreeandnon-lineardynamicmodelforAUV-VBSisformulatedandvalidatedbysimulation．InordertOdesignsystemcontrollers，thesystemisreasonablyseparatedintodiff

8、erentsubsystemsusingdecouplingandmethodofsmallperturbation．Thedevelopmentandverificationofthelinearsimplifiedmodelaredescribed．Themodelcanbeusedinthedesignofthecontroller．3)ControllerAreaNet(CAN