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欠驱动自主水下航行器三维镇定控制研究
| 论文题名： | 欠驱动自主水下航行器三维镇定控制研究 |
| 关键词： | 欠驱动自主水下航行器;三维空间;运动特性;镇定控制 |
| 摘要： | 海洋蕴藏着丰富的矿产和生物资源，如何更高效地探索和开发海洋是目前人类亟待解决的课题。随着近年来自动化学科的发展进步和海洋开发的迫切需求，自主式水下航行器(Autonomous underwater vehicle,AUV)凭借其隐蔽性强，搭载平台灵活等优点，在军事和民用领域均被广泛地应用。AUV在执行水下对接及定点回收等任务时均需保证艇体能够稳定至定点位置，并满足一定的姿态角要求，此类课题被称为镇定控制问题。由于系统中所有自由度均须实现镇定，给控制器的设计带来一定的挑战。因此开展欠驱动AUV的非线性镇定控制研究具有重要的理论和实践意义。论文的主要研究内容及创新点如下： 首先，引入了大地坐标系和载体坐标系相关参数的定义，给出了含6自由度的AUV空间运动学模型。并分析AUV实际运行中受到的各类外力和相关的参数，建立了AUV的动力学模型。之后给出了后续章节控制器设计中将要使用到的定义、引理和常用的不等式。 然后，针对欠驱动AUV水平面镇定控制过程中存在的模型参数未知等问题，设计一种基于非对称模型的全局反馈镇定控制算法。基于仅知模型参数上下界值的自适应模型参数观测器获取模型参数估计值；通过全局坐标变换，将镇定控制系统解耦为推进子系统和偏航子系统分别进行设计，消除了非对称作用项引起的耦合影响；通过引入2阶滤波器，使得偏航角速度在推进子系统状态未收敛至零点状态下始终具有持续激励特征，保证镇定误差收敛至零点附近的一个有界区域。Lyapunov稳定性分析证明了该控制算法能以任意初始条件实现镇定控制目标。数值仿真实验结果表明该控制算法具有较好的控制精度和一定的对未知环境干扰的鲁棒性。 最后，将欠驱动AUV的镇定问题由二维水平面情况拓展至三维空间情形进行了研究。分析了输入饱和限制条件下的AUV三维空间系统的运动特性。并基于Lyapunov直接法，通过引入滑面结构和切换函数将被控系统解耦为垂直面镇定和水平面镇定依次切换实现，并设计出相应的饱和控制器使得欠驱动AUV的三维镇定误差最终收敛至零点附近的一个有界区域内。最后根据Lyapunov稳定性理论证明了本文所提控制方法可在控制输入饱和有界情况下实现控制信号的一致有界。仿真结果表明该方法在稳定状态输出下具有更高的镇定误差精度和更快的收敛速度，同时拥有更好的抗饱和特性。 |
| 作者： | 邸青 |
| 专业： | 船舶与海洋结构物设计制造 |
| 导师： | 李家旺 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 宁波大学 |
| 学位年度： | 2020 |
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