滑模模糊控制应用于自治水下机器人的实验研究

分析了自治水下机器人 (AUV )的控制特点 ,论述了滑模模糊控制 (SMFC)的基本原理 ,并在6 0 0 0 m自治水下机器人“CR- 0 2”上进行了仿真和水池实验。结果表明 ,滑模模糊控制的性能明显优于PID控制 ,在强干扰时表现出良好的鲁棒性

自治水下机器人的一种鲁棒自适应控制方法研究

本文针对自治水下机器人AUVs(Autonomous Underwater Vehicles)水下工作环境、动力学建模和运动控制的特点。采用了一种基于Backstepping的鲁棒自适应控制方法，实现AUV水平侧移和航向控制，并利用AUV-CR02模型进行了仿真实验。仿真实验结果表明该控制方法的控制效果明显优于PID控制。特别是在有模型不确定和不确定环绕干扰时，表现出良好的鲁律性和自适应性。

滑模模糊控制应用于自治水下机器人控制的仿真研究

针对自治水下机器人(AUV)的控制特点,论述了滑模模糊控制的基本原理,并进行了仿真实验。仿真结果表明,滑模模糊控制的控制效果明显优于PID控制,特别是在强干扰时表现了很好的鲁棒性。

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。

水下滑翔机器人控制系统设计与控制算法研究

水下滑翔机器人是近年来出现的一种新型的自主式水下机器人，它们独特的驱动方式决定了其大航程，低功耗、低成本、低噪声等特点，这样就使其将会在海洋监测、军事等方面有越来越广泛的应用。这种新型水下机器人在一些技术上与传统的水下机器人存在共同之处。但是，水下滑翔机器人的推进和航行方式与传统的水下机器人是截然不同的，从而造成控制、航行规划和导航等关键技术不同。因此，对水下滑翔机器人的研究工作就显得格外重要。 本文以水下滑翔机器人样机功能实现为目的，对水下滑翔机器人的控制系统软、硬件进行设计并实现。 首先简要介绍了水下滑翔机器人的系统组成，包括外形结构、内部组成与总体配置，结合水下滑翔机器人自身特点，简要介绍了其运动控制方式。 以作者工作为基础，介绍了水下滑翔机器人控制系统软、硬件的设计与实现。采用基于PC104嵌入式计算机的数字控制方案进行水下控制系统的硬件设计与系统配置；在QNX操作系统下用C语言编写控制系统软件，它是以主进程为主线，在主进程中开辟不同子进程，各进程并行处理任务的水下系统软件。按不同功能实现分为不同的功能模块，每个功能模块用不同的子进程实现。 针对水下滑翔机器人的运动控制系统和其运动控制指标，设计了俯仰、横滚和航向三个自由度的闭环控制方案，采用带死区PID的控制方法。为了验证所设计控制系统和控制方案的正确性和有效性，分别进行了野外开环运动控制试验和水池闭环控制试验，并针对实验中发现的问题进行了原因分析。 实际实验结果表明，本文设计的控制系统能够正常工作；所设计控制器的控制效果也能够令人满意，控制系统和控制方法的设计与实现是正确而且有效的。

浮力调节系统在远程AUV上的应用研究

本论文在参阅大量国内外文献的基础上，对远程AUV浮力调节系统进行了结构设计与控制方法的研究。 随着AUV技术的发展，流线型AUV应用浮力调节系统的需求越来越高，尤其对于远程航行，浮力调节和姿态调节变的尤为重要。水下机器人的浮力调节在远程AUV中的应用，将使机器人在水中的浮力随时保持零浮力状态，节约了航行中的动力消耗，而且可以调整机器人的姿态，减少水的阻力，为机器人更好的航行提供保障。 本文列举了几种典型的AUV浮力调节方法，并对其浮力调节的方式和特点进行了一定的描述。通过对这些浮力调节方法的探讨，提出了远程AUV的浮力调节方式。文中详细地介绍了此种调节方法，以远程AUV系统的的特性及其对浮力调节和姿态控制的要求，应用PID控制策略，对远程AUV设计了一个浮力调节系统。本系统选用油作为工作介质。通过向四个皮囊抽油或注油来改变排水量，从而调节浮力来改变载体的浮力、横倾和纵倾。 以远程AUV的动力学模型为对象，采用该调节方法进行了仿真验证，在matlab下仿真了浮力调节装置在远程AUV中的应用，包括浮力调节，横滚和纵倾角度的调节。结果表明在载体不同的超载或者压载不足的情况下，系统都可以取得满意的调节效果。 利用水下机器人中心的实验平台，设计了一套浮力调节装置，并在实验平台上进行了验证。通过水池实验验证了我们的想法，水下机器人的浮力状况能够得到很好的调节，能够达到预期的目标。

基于视觉的水下机器人悬停定位方法与应用研究

为解决受外力扰动而影响定点作业的问题，水下机器人需要具有悬停定位(Station keeping)的功能。悬停定位是指在存在外界扰动的情况下，机器人相对于作业目标仍然能够保持期望的位置和姿态。它具有两个特点：首先，是一种动力定位，即在状态感知系统的引导下，依靠自身动力抵抗外界扰动而保持期望位姿；其二，是一种局部定位，机器人相对作业目标的空间运动范围一般不会很大。因此，对悬停定位的研究需要重点解决两个问题，一个是状态感知问题；另一个是控制问题。 传统的声学定位难以满足精度和实时性的要求，视觉是一种实现水下机器人悬停定位的重要方法。本文以国家“十五”863计划重大专项“7000米载人潜水器”的悬停定位为应用背景，从摄像机标定、特定水下目标识别、视觉伺服和演示实验四个方面进行基于视觉的水下机器人悬停定位方法与应用研究。所开发的系统采用特定观察目标作为合作目标，应用基于模型的单目位姿估计方法获取摄像机与观察目标之间的相对位姿信息，实现了悬停定位中的状态感知；然后以视觉系统提供的位姿信息为反馈,构建视觉伺服控制器，实现了水下机器人的闭环控制。 摄像机标定与水下特定目标识别是实现单目位姿估计的前提，其精度直接影响位姿估计的精度，进而影响整个悬停定位系统的性能。通常摄像机标定是一个先建立成像模型，然后求解模型参数的过程。常用的简化成像模型无法精确描述3维成像空间与2维图像平面之间的关系，并且常规标定方法存在非线性方程优化求解困难的问题。因此，本文提出一种基于虚拟摄像机的无模型标定方法。该方法把摄像机的成像过程作为一个黑盒，通过光电测量方式直接建立3维成像空间与对应2维图像平面之间的映射关系。然后根据该映射关系定义一台虚拟理想摄像机，其透视模型参数可以根据需要任意设定，而不影响最终标定结果。虚拟摄像机的引入使得本方法的应用与常规方法同样方便。实验结果表明，该标定方法可以提高位姿估计精度，特别适用于无法用数学模型精确描述成像过程的系统。 针对系统中应用的特定观察目标，设计了水下图像处理和目标识别算法。对水下图像增强处理以后，应用基于自动阈值和区域生长相结合的方法进行图像分割；然后提取观察目标的图像特征，应用基于模型的目标识别方法实现了水下目标的识别和定位。 以单目位姿估计获得的位姿信息为反馈，构建水下机器人的闭环控制器，以实现悬停定位。这是一个典型的基于位置的视觉伺服问题。针对悬停定位的特点，设计了注视优先原则，在机器人运动过程中合理规划各自由度的控制，应用专家PID控制方法实现了水下机器人视觉伺服。 应用上述研究成果，以水下机器人实验平台为载体，在室内水池搭建了演示实验系统，在国内首次完成了基于视觉的水下机器人悬停定位演示实验。实验结果表明：在悬停定位起始阶段，以观察目标在摄像机视场内为前提，机器人能够在视觉伺服控制下跟踪观察目标，并且使观察目标始终保持在摄像机视场之中；能够运动到指定位置并且保持一个特定姿态，实现了机器人的定位定姿；在受到外界扰动（外力或水流）的情况下，仍然能够恢复到原来的位姿；即使在持续水流的冲击下，也能稳定地保持期望位姿。水下机器人悬停定位演示实验为今后基于视觉的悬停定位技术应用于实际作业打下了良好基础。

远程AUV航行控制算法的应用研究

本文针对我国正在研制开发的长航程自治潜水器的特性及其对航行控制的要求，进行了以下研究：自适应模糊PID控制方法和单神经元自适应PID控制方法在航向控制回路的应用研究，以及沿规划路径航行的6自由度仿真。 本文首先介绍了远程AUV航行控制系统的组成，然后根据自治潜水器的各项参数建立了水平面和垂直面的数学模型，并对水平面和垂直面的数学模型进行了验证。 将PID控制与模糊控制的简便性、灵活性以及鲁棒性结合起来，为AUV设计了可在线修改PID参数的自适应模糊PID控制器，仿真结果证明了该种控制方法不但提高了AUV系统的动态特性，而且可在参数摄动和外界扰动时获得较好的控制性能。 将单神经元自适应PID控制方法应用在了航向控制回路。仿真实验表明，该控制器是一种设计简单、实现方便的智能控制器，具有动态性能好、稳态精度高、抗干扰性能强等特点。尤其对那些时变的、非线性的、滞后的被控对象，具有良好的控制效果，能有效的克服海流、波浪等扰动，提高AUV系统的动态特性。该方法适用于其它非线性、时变、强干扰的不确定复杂系统。 最后本文建立了基于Simulink的沿规划路径航行控制回路，进行了6自由度模型的仿真。在仿真中设定起始点和目的点，就可得到仿真的路径和达到目的点的时间。 关键词：自治潜水器；自适应模糊PID控制；单神经元自适应PID控制；自治水下机器人仿真

AUV系统辨识与广义预测控制研究

本论文的研究内容分为两方面：AUV的建模和控制。 建模方面，主要对当前用于AUV的建模方法进行了分类及对比，给出了水动力机理建模、水动力辨识、面向目标的系统辨识三类方法的优缺点。 根据可辨识性理论，对AUV闭环系统进行分析，给出了AUV闭环系统可辨识的充分条件。为了提高辨识算法的实时性，解决辨识过程中的“数据饱和”问题，给出了改进的变步长增广卡尔曼滤波辨识算法。利用小型AUV湖上试验数据辨识出航向回路、深度回路的系统模型，通过不同的试验数据与模型预测值的相关性验证模型，试验结果表明了该算法应用于AUV闭环系统建模的可行性。 控制方面，在传统PID控制、S面控制方法基础上，借鉴单神经元PID控制思想，将积分环节加入S面控制中来简化S面PID控制算法，并通过仿真验证了算法的可行性。上述方法参数调节依赖工程经验，而广义预测控制具有对模型要求低、算法鲁棒性强、参数调节简单等优点。因此，本文对输入输出约束的广义预测控制快速算法应用于AUV系统进行仿真，通过小型AUV水池试验验证了算法的有效性。

基于ROV援潜救生自主作业方法研究

利用ROV代替潜水员进行潜艇供排气管对接作业是援潜救生的发展趋势，其中供排气管对接技术是为失事艇员提供生命保障的关键技术。由于水下作业环境比较复杂以及水下作业难度大等特点，人工遥控ROV进行援潜对接供排空气管作业过程中，还停留在只是能够打开潜艇供排气系统花甲板盖的工作上，还没有实现对类似接通供排空气管精确作业的工作。受到海流、风浪、失事潜艇周围较大涡流、供排气管的拖曳阻力、水下可视条件以及高精度定位等因素的限制，作业任务越复杂，要求ROV系统上机械手精确定位精度越高，操纵的难度也越大，由人工操作很难实现。在现有ROV人工操作的基础上，使ROV系统具有自主作业功能，更能发挥其在对接空气管作业中的能力，提高作业效率，缩短救援时间，因此本文在现有ROV基础上扩展预编程自主控制驾驶功能模块即ROV-A系统，借助预编程技术ROV-A系统在对接空气管作业中的一些特殊任务时能够实现自主作业功能。 本文结合中国科学院沈阳自动化研究所水下机器人中心未来援潜救生关键技术研究内容，针对为失事潜艇接通空气管作业中的一些关键技术，开展基于具有自主作业能力的ROV-A系统自主作业方法研究，深入研究了具有自主作业能力ROV-A系统的运动规划与协调控制技术以及水下作业力控制技术，以实现高精度的机械手末端位置控制与期望力跟踪；针对潜艇供排气系统的已知结构研究了水下目标定位技术，为对接空气管的特定需求发展具有自主作业能力的水下作业技术提供理论依据。重点研究针对系统特点的运动规划与多性能指标实现归一化问题；研究基于系统动力学模型误差的系统位姿控制问题；研究基于阻抗力控制水下作业目标定位问题；在系统运动规划与控制研究的基础上，研究能实现机械手末端精确轨迹跟踪的控制策略问题以及力控制问题。本论文研究内容如下： （1）根据ROV-A系统特点，从描述系统的空间位置和姿态着手，研究了ROV-A系统的空间运动学与基于Kane方法的动力学，得出载体基座自由运动模式的系统空间运动数学模型，为论文后续研究工作奠定了基础。 （2）针对对接空气管作业中的一些高精度和复杂的作业，研究了系统作业时的运动规划问题。针对系统运动学冗余、作业规划约束性能指标多，例如机械手可操作性，关节限制，载体的姿态，避障等等，结合梯度投影法和最小范数伪逆矩阵法以及任务优先逆运动学方法，引入模糊控制技术，将模糊控制的定性知识表达与任务优先逆运动学算法相结合，以水下作业末端位置控制及轨迹跟踪为前提，对系统运动分配、关节限位、避免奇异有无海流下的系统性能优化等运动规划进行了研究，仿真证明运动规划算法的有效性。 （3）研究了基于动力学模型的系统基本控制问题。针对系统动力学模型的复杂性和不精确性，在基于载体输出反馈控制的基础上，设计了基于输出反馈自适应控制算法，通过自适应学习的方式直接逼近系统动力学方程状态量之间的非线性关系，在外界不停扰动下逐渐提高系统的控制精度；基于Lyapunov稳定性理论，证明了存在外界干扰和自适应逼近误差条件下ROV-A系统控制器的闭环稳定性；通过仿真实验验证控制系统的有效性，为系统的控制提供了一种新思路。同时在基于位置运动控制的基础上引入了力控制，通过对常规PID外环力控制器基础上的改进，在系统离线规划的前提下实现力与位置控制的解耦，通过仿真验证期望力的稳定跟踪。 （4）研究了基于ROV-A系统阻抗力控制的水下矩形围壁环境约束的位置定位方法。通过在对具有先验知识的矩形围壁环境约束的学习理解基础上，应用外部阻抗力控制环包容内部位置运动控制环的控制策略。利用力传感器的反馈信息变化确定系统末端执行器与约束环境的接触特征点，根据环境的先验知识推理出环境定位信息。通过计算机仿真实验验证了水下具有先验知识环境的定位方法和ROV-A系统的控制策略的有效性。仿真结果证明定位方法和控制策略是可行的。 （5）结合系统控制，分析了系统在为失事潜艇对接空气管作业中的恒定和时变两种期望力输入作业模式，提出了基于在线运动规划下外部力控制环包容内部位置环控制方法，利用ROV-A系统完成了为失事潜艇自主对接空气管中两个典型作业。介绍了整个控制方法的组成和执行过程，分析了综合控制策略，最后通过仿真实验分析了综合力控制方法的性能，包括恒力和时变期望力输入进行了深入研究。

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。

六功能水下机械手的变结构控制方法和应用研究

随着各国对海洋资源开发利用的加剧，水下机械手作为作业型水下机器人首选配置的一种通用作业工具，应用范围不断扩展，而现有的水下机械手采用主从控制方式，在水下复杂的作业环境下精度及效率不高，限制了水下机械手的使用。引入监控模式的机械手系统是水下机械手发展的一个主流方向。本课题就是以实现机械手的监控模式为目标，针对在实现监控式机械手过程中遇到的两个鱼待解决的难题：机械手的实时运动学逆解和复杂条件下满足高精度轨迹跟踪要求的控制方法，以六功能水下机械手为对象展开并完成课题工作。本文的主要研究成果分为以下三个部分：针对此机械手运动学逆解不能简单由解析方式给出的特点，本文提出运用基于约束最优化的变尺度算法。运用惩罚函数和二次插值选取迭代步长，保证了搜索的有效性；没有直接求解二阶导数，不存在奇异解。该算法是超线性收敛。对实例的求解证明了该算法的快速性和在解决此水下机械手在线轨迹规划时的有效。针对现有的水下机械手关节位置控制中采用PID控制算法而存在的一些缺点，本文以电液位置伺服的肩转关节为例，进行了滑模控制方法的研究。设计了单关节的滑模控制器，并把简化后的滑模控制器运用到实际的控制系统中，仿真和实验结果表明在复杂条件下滑模控制与PID控制相比有高精度和快速的跟踪性能。针对滑模控制的“颤振”现象，引入模糊控制的思想，设计了单关节的模糊滑模控制器，仿真和最终的实验证明了运用模糊滑模控制能有效消弱“颤振”，系统有良好的跟踪性能。针对原有的控制系统不适合于监控方式的机械手控制的特点，重新设计了水下机械手的水下控制器，组建了基于RS－485通讯，以PC机为上位机系统和89C52为下位机系统的机械手两级控制系统，并在这个人机界面友好、工作稳定的系统上完成了本文所有的实验。

机器人机械手的鲁棒性稳定跟踪控制

为工业机器人机械手提出了一种稳定跟踪控制法．这种控制方法由前馈控制器、反馈控制器组成．前馈控制根据期望轨线用计算力矩法得到；反馈控制由线性ＰＩＤ控制项和非线性ＰＤ控制项组成，这种控制方法能使跟踪误差逐渐趋近于零．最后，给出了ＰＵＭＡ５６０机器人的计算机仿真实验验证此控制方法的有效性

海底爬行式机器人的控制问题研究

水下机器人是人类开发和利用海洋的有效工具。海底爬行式机器人由于具有较强的作业能力，日益受到各国重视。由于海底环境的特殊性，海底爬行式机器人通常采用具有较高附着能力的履带式行走机构。基于现有履带式载体转向理论的不足，作者提出了适合于海底环境的转向模型，并推导了海底爬行式机器人的空间运动数学模型。以沈阳自动化所正在研制的自走式海缆埋设机为背景，根据相似准则，建立了一个1/4的模型试验载体，设计并完成了一套具有开放式结构的电控试验平台，后面的模型试验证明此平台是实用高效的。在模型试验平台上，作者进行了一系列控制试验，其中对阀——液压马达——履带速度系统进行了详细的理论分析和控制试验研究，结合爬行式机器人的数学模型，重点讨论了履带与地面相互作用对系统产生的影响，得到了考虑履带与地面相互作用的速度系统传递函数，并在此基础上实现了闭环伺服控制；系统的特性中夹杂较大的干扰，作者在对各种干扰进行了详细的理论和试验分析后，认为此干扰主要来自履带与地面相互作用；作为埋缆机原型设计的关键技术之一，作者对挖沟埋缆过程中的跟踪问题进行了详细的分析，针对实际问题，采用修正的PID控制策略和双闭环串级控制方案，在模型样机上进行了硬地环境下的回转控制和缆线跟踪控制，结果证明控制效果是满足要求的；在现有条件下深入讨论了引入角速率陀螺对系统的影响，指出在此系统的强干扰作用下，简单的引入角速率校正系统往往使系统的稳定性变得很差；另外作者还对挖沟埋缆过程中的载体牵引速度规划问题从理论上建立了一个简化的数学模型，为今后的试验修正奠定一定的基础。在论文的最后，作者总结了在模型设计、制造与试验中的一些体会，对下一步原型机的设计提出了自己的建议。附录中是作者综合整理的关于海底土壤的一些特点和已研制成功的海底爬行式机器人的技术资料。

基金会现场总线数据采集系统的研制与开发

基金会现场总线正在逐步成为新一代控制系统的主流趋势。本文作者结合“九.五”攻关课题“基金会现场总线数据采集单元的开发与研制”设计实现了基金会总线三种智能仪表单元，并论述了将其应用于小型实验系统中的过程。论文从基金会总线产品的技术特点出发，深入研究了总线智能仪表中仪表卡的设计，在实现了基金会总线仪表卡功能的基础上，解决了仪表卡在低功耗、高可靠性方面的技术难题。同时本文给出了相应于基金会现场总线三种智能仪表的功能块的具体设计过程，从功能块的参数、功能计算、模式计算三方面实现了模拟量输入、PID、数字量输出三种功能块的设计。最后通过基金会现场总线三种智能仪表单元在实验系统中的应用，对该总线系统进行了定性的分析。