原文传递
水下滑翔机反步控制及其快速控制原型研究
| 论文题名： | 水下滑翔机反步控制及其快速控制原型研究 |
| 关键词： | 水下滑翔机;反步控制;设计方案;动力学模型 |
| 摘要： | 水下滑翔机是浮力驱动的、固定机翼的自主式水下航行器。在水下以稳态滑翔为主要方式运动，因此，控制器大多是线性的。为了增强控制能力，进一步提高导航精度，尚需研究滑翔机的非线性控制方法。由于尺度与运动方式的限制，滑翔机的控制算法验证与系统辨识在常规水池中难于实现。为此，本文研究了反步非线性控制方法，设计了滑翔机的反步控制器，同时搭建了可灵活操纵的滑翔机实验平台。 本论文基于传统滑翔机设计方案，结合实验室尺度机体的特点，设计制作了高能效、易操控的实验室尺度滑翔机。为保证控制算法在样机上运行的可靠性与准确性，着重考虑了俯仰姿态与浮力调节机构的运行精度，设计了高精度俯仰与浮力调节传递机构。同时，分别在电池搭载量与硬件低功耗两方面进行优化设计，保证了样机的运行时间。通过分析实验尺度滑翔机的特点，基于C FD软件，对样机的平板滑翔翼进行了优化，确定了机翼的形状及位置。 针对该样机模型，考虑内部各移动部件与机体动力学的耦合关系，建立了纵平面内运动的三自由度动力学模型。该模型中含有浮力系统和推动装置的矢量位置等参数，有利于分析各机构对滑翔机动力学的影响。模型的建立为后续实验及算法研究提供了基础。 为解决滑翔机的非线性控制问题，基于以上建立的样机数学模型，结合反步控制方法，分别推导了角度与浮力子系统的控制律。同时，利用输入输出反馈线性化与比例积分微分相结合的方法，设计了滑翔机纵倾运动控制器。完成了两种控制器数值仿真实验，并进行了对比分析。结果表明，二者均能较好的完成滑翔机纵倾运动控制，反步控制器对滑翔机的控制过程更快更稳定，但会使执行机构频繁运动，从而增加能耗。 为简化控制算法移植步骤、加速控制算法到滑翔机本体的部署过程，以NI公司Labview、Veristand实时仿真系统为平台，设计实现了水下滑翔机快速控制原型(RCP)。利用该 RCP平台，对滑翔机浮力调节系统、俯仰调节系统、深度及姿态测量系统等进行了功能测试。最后完成了样机的水池调试实验，实验结果验证了实验平台的易操纵性和高效性。 |
| 作者： | 张凯 |
| 专业： | 船舶与海洋工程 |
| 导师： | 马捷;王俊雄 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 上海交通大学 |
| 学位年度： | 2015 |
| 正文语种： | 中文 |
检索历史
应用推荐
