水下自主式航行器(AUV)控制系统设计

摘要

水下自主航行器(AUV)的研制和应用是我国海洋技术研究的重要组成部分,它对于海洋的探索、开发和利用,具有重要的理论研究意义和明确的应用背景,同时也具有很高的军事地位。控制系统是航行器设计的核心内容,是航行器执行任务的根本,论文主要从硬件平台和模型搭建、控制器设计仿真等几个方面对航行器控制系统进行论述。
　　硬件方面,论文按控制要求并根据各个设备的特点设计了基于PC104和CAN总线的AUV控制系统,包括设备整体构架、通信系统和供电系统,并对其中一些关键问题进行说明。
　　软件方面,论文首先基于本文要研究的AUV的特点(形状类似于鱼雷,具有一个主推螺旋桨,一对水平舵板和一个垂直舵板),对其进行动力学分析,建立了AUV运动学方程和动力学方程,并根据小扰动理论和方程分组的方法对其进行简化,最终得到AUV在水平面和垂直面运动的简化传递函数。
　　考虑到PID控制器具有参数选择比较困难,不具备适应性等问题,论文先用灰色预测算法对遗传算法进行了改进,使用预测方法来指导遗传算法进行高效寻优,并在此基础上,针对本文研究的 AUV设计了基于遗传算法PID的控制器,并分别对AUV在水平面和垂直面的运动进行了控制仿真。仿真结果表明,改进遗传算法PID具有较好的控制效果和鲁棒性。

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选题的依据与意义

国内外文献资料综述

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 水下自主航行器（AUV）国内外发展现状

1.3 AUV控制技术的发展状况

1.4 AUV亟待解决的问题

1.5 本文的主要研究方法

1.6 论文的课题来源和主要工作

2 自主水下航行器控制系统整体设计

2.1 AUV控制系统整体构架

2.2 AUV上位机操控系统

2.3 AUV控制系统硬件平台设计

2.4 AUV底层网络设计

2.5 CAN总线节点设计

2.6 供电系统设计

2.7 本章小结

3 水下自主航行器建模

3.1 AUV空间运动的描述

3.2 AUV运动参数

3.3 坐标变换

3.4 AUV空间运动方程组

3.5 航行器运动方程简化

3.6 本章小结

4 AUV运动控制方法研究

4.1 常规PID算法

4.2 PID参数整定

4.3 遗传算法及其改进

4.4 遗传算法PID

4.5 本章小结

5 水下自主航行器控制器设计

5.1 AUV遗传算法PID控制器设计

5.2 俯仰角闭环控制器设计及仿真

5.3 深度控制器设计及仿真

5.4 偏航控制器设计及仿真

5.5 AUV控制性能实验

5.6 本章小结

6 结论与展望

参考文献

附录1：攻读硕士学位期间发表的部分学术论著

附录2：344口径AUV流体动力系数

附录3：AUV总体参数