水下机器人多功能仿真平台及其鲁棒控制研究

为了辅助水下机器人控制系统的研究和开发，论文第一部分研究和建立水下机器人多功能仿真平台。基于现代仿真技术，先后研制成“7000米载人潜水器”多功能仿真平台HOV7000，“CR-02”6000米自主水下机器人多功能仿真平台CR6000和远程自主水下机器人多功能仿真平台LAUV。该种平台具有缩短研制水下机器人周期、减少试验成本、提高系统安全性和可靠性等特点。该平台的创新点在于水下机器人控制系统的硬件和软件与真实系统的硬件和软件完全一致，在多功能仿真平台上调试后的程序直接作为真实系统的控制程序运行。 论文第二部分针对7000米载人潜水器工作环境的复杂性，水下机器人本身参数摄动、外界扰动、传感器、执行机构、控制器不同程度存在不确定性、非线性和延迟，常规的控制方法一定程度上难以克服上述不确定性的影响等问题，研究了可以克服上述多环节不确定性、适合7000米载人潜水器水下作业场合的强鲁棒控制方法。其创新点为将运算量较大的多输入多输出鲁棒控制算法通过选择适当的加权函数应用于实际的水下机器人控制系统。本论文研究内容如下： 1、利用现代仿真技术研究水下机器人多功能仿真平台的实现方法。深入研究了水下机器人动力学模型、推进系统、海洋环境中海流、海底地形和水下机器人传感器等模型。利用机理仿真法，研究了水下机器人分立件推进系统模型和动力学模型；基于电子海图数据采用曲线/曲面拟合法建立了海流数据库模型，并提出了DTTCGSFD的海底地形生成方法；基于随机仿真法研究了水下机器人传感器的模拟方法；采用相似仿真法研究了基于势流理论、水面进行波、CFD的海流模拟方法和视觉传感器模拟方法；采用综合仿真法建立了一体化推进系统的模型。 2、研制成的水下机器人仿真平台具有下述9个方面的功能：基本原理、设计思想和方法的验证；控制系统软件和硬件的静态和动态调试；系统性能的测试与评价；下水前使命可实现性的全程实时验证；水下使命执行过程的伪在线监视；实时运行过程的离线重现；示教与训练；故障可能原因的仿真分析；演示与汇报。现场试验结果表明，多功能平台上的控制效果与现场湖试和海试的试验结果基本吻合。水下机器人多功能仿真平台的研制成功对于水下机器人的研究开发工作具有很大的实际意义，它使我们的研究工作从基于实际环境研究开发向基于虚拟环境研究开发转变，大大缩短了研究工作的周期，节省了大量的人力、物力和经费。 3、研究了基于MLQG的7000米载人潜水器控制方法。将7000米载人潜水器看作慢时变线性系统，采用带遗忘因子的递推最小二乘辨识算法及平方根算法辨识出水下机器人系统的时变参数，利用LQG控制具有克服零均值白噪声的特点设计2种MLQG鲁棒控制器。仿真试验结果表明MLQG控制算法对水下机器人系统存在海流扰动和参数时变两种不确定性均具有较好的鲁棒性。 4、研究基于混合灵敏度的H∞水下机器人鲁棒控制方法。由于水下机器人系统的模型摄动加权函数、输入加权函数、性能指标加权函数等加权函数的选择是水下机器人系统鲁棒稳定性和鲁棒性能的核心。深入研究并设计出适合于7000米载人潜水器的各加权函数后，将混合灵敏度问题转化为标准H∞问题，采用代数Riccati方程或LMI方法设计了可克服水下机器人多环节同时存在不确定性的鲁棒控制器。通过对频域和时域分析表明H∞鲁棒控制对于提高7000米载人潜水器系统快速性、减小系统稳态误差和克服系统不确定性具有更好的效果。在HOV7000多功能仿真平台上进行的控制系统试验——阶跃响应试验、动力定位试验以及H∞鲁棒控制和PID控制的比较试验验证了上述控制效果。 5、为了克服基于H∞鲁棒控制理论设计的控制器具有保守性的缺点，研究了基于结构奇异值µ的水下机器人鲁棒控制方法。在对结构奇异值µ理论深入研究后，讨论基于结构奇异值µ鲁棒控制和基于混合灵敏度的H∞鲁棒控制在系统模型摄动加权函数、输入加权函数、性能指标加权函数等加权函数的选择方面的区别与联系。设计出各相应加权函数后，采用D-K迭代方法设计了可克服水下机器人多环节同时存在不确定性的控制器参数。频域和时域内的理论分析结果，和HOV7000多功能仿真平台上的试验——系统阶跃响应试验、动力定位试验以及基于结构奇异值µ鲁棒控制与PID控制比较试验结果，表明采用基于结构奇异值µ的水下机器人鲁棒控制方法比基于H∞混合灵敏度的鲁棒控制方法具有更好的鲁棒稳定性和鲁棒性能。