探测型AUV航行技术研究

自治水下机器人（AUV）作为人类肢体和大脑在水下的延伸，可以在人类无法到达的深度和广度上进行探测、识别和作业，为海洋的开发、水下工程建设和海疆的防卫做出不可替代的贡献。航行控制是当前水下机器人技术领域研究的热点，在很大程度上代表着今后的研究方向。然而AUV作为控制对象具有非线性、大时延、多自由度之间相互耦合及时变的特点，被控对象的数学模型及其工作环境难以准确的描述，甚至有时给定的任务要求AUV负载可变，因而航行控制系统的分析与设计是相当困难的工作。 本论文旨在探讨航行控制技术在AUV中的应用，并设计出性能优良的AUV航行控制器。本文的研究对象是我国正在研究开发的探测型AUV，研究的目的在于建立研究对象的数学模型，并针对数学模型进行航行控制系统的仿真，为后续控制器的设计提供理论支持及向导作用。 本文首先分析了探测型AUV航行控制系统的软硬件结构和航行控制的基本回路，然后根据探测型AUV的各项参数建立了AUV的动力学数学模型，并以此模型为基础设计了AUV航行控制器并进行了仿真。 本文主要对专家控制、模糊控制和滑模控制方法进行了深入的研究：(1)设计了一种利用专家经验来设计PID参数的专家PID控制器，根据偏差及其变化率的符号对系统过渡过程进行分区控制，显著改善了常规PID控制器的响应特性；(2) 设计了一种专家S面智能控制器，在S面控制器的基础上引入智能积分环节，将二维S面推广为三维超S曲面，并在控制器中加入专家控制，根据系统的知识及专家经验，在线调整超S面控制器的参数，以改善控制性能；(3)设计了一种模糊滑模控制器，通过模糊控制规律直接设计滑模控制量，控制器设计简单，易于实现，既保证了系统具有良好的响应特性，又对外部扰动具有较强的鲁棒性。 最后本文分别对以上控制算法进行仿真实验，结果表明，本文建立的AUV的数学模型是正确的，本文研究的控制方法是可行的并且具有良好的控制性能。本文设计的控制算法对探测型AUV航行控制方法的实现奠定了良好的基础。