水下航行器动力定位技术研究

摘要

本文对自主式水下航行器的动力定位进行了研究，实现了水下航行器通过利用垂向和侧向的辅助推进器的动力定位。首先重点分析了大攻角和大侧滑角时的航行器的运动情况，建立了一个基于三个侧向和三个垂向共六个辅推的水下航行器运动模型；其次对航行器辅助推进器的装载位置进行了研究，提出了推力和力矩的逻辑分配方案；同时将模糊自适应控制应用于动力定位中；最后对典型的四种动力定位情况运用模糊控制原理设计了控制规则和控制器，并进行了控制运动仿真，实现了模糊控制动力定位策略。其具体工作和成果如下： 1、建立了水下航行器的运动模型，对具有六个辅助推进器的系统建立了数学模型，对航行器所受的外力进行了分析，以静定位和轨迹跟踪两种方式对空间运动方程进行了分解。 2、设计了水下航行器动力定位的模糊控制策略，对模糊控制算法进行了优化设计，结合变论域思想和在线插值算法，设计了一种对折型在线插值方法；同时，构造了动力定位的模糊自适应控制器。 3、对辅助推进器的装载位置进行了分析，提出用区域划分的方法分析辅助推进器的推力情况，根据这一方法提出新的推进器推力的逻辑分配方式，采用二次分配的方法保证了推进器始终整体处于功率最小的状态下，节省能量。 4、对水下航行器动力定位的四种典型的运动方式进行了模糊控制设计和仿真，对系统静定位的悬停原地摆动艏向和垂直上升下降两种方式采用了两种不同的执行器；对轨迹跟踪方式下水下航行器的侧平面航迹保持和纵平面地形跟踪，分别就不同的环境条件建立了简单的控制规则，以减少计算量，模拟了航迹和海底地形对运动进行了仿真。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1研究的目的与意义

1.2国内外发展现状

1.2.1动力定位发展

1.2.2控制系统的发展

1.3本文主要工作内容

第二章水下航行器运动建模

2.1引言

2.2坐标系与运动学方程

2.2.1坐标系

2.2.2坐标系之间的转换

2.2.3运动学方程

2.3刚体动力学

2.3.1平动方程

2.3.2转动方程

2.3.3空间自由运动方程

2.4水下航行器外力

2.4.1波浪力和力矩

2.4.2惯性力及性质

2.4.3流体动力

2.4.4.流体粘性力和阻尼力

2.4.5浮力与重力

2.4.6升力

2.4.7.推进器推力

2.5空间运动方程分解

2.6本章小结

第三章动力定位的模糊控制策略

3.1引言

3.2基本模糊控制

3.2.1位置/速度模糊控制

3.2.2方向控制子系统

3.3模糊控制器的优化

3.3.1模糊控制器的优化原理

3.3.2等比因子调整法

3.3.3论域对折优化方法

3.3.4在线插值方法

3.3.5变论域在线插值法

3.4动力定位自适应控制器设计

3.5本章小结

第四章辅助推进器设计和波浪扰动

4.1引言

4.2侧向推进器位置研究

4.3垂向推进器位置研究

4.4推进器逻辑分配

4.4.1推力系统的数学模型

4.4.2推力的初次分配

4.4.3推力的二次分配

4.4.4推力总表达式

4.5推进器设计算法示例

4.5.1二分法推力计算

4.5.2推进器逻辑分配图

4.6波浪扰动与建模

4.6.1线性波理论

4.6.2随机波浪理论

4.6.3基于回归方法的波浪预测建模

4.7本章小结

第五章运动控制与仿真

5.1引言

5.2空间运动方程简化

5.3定位运动方程简化

5.4系统静定位的模糊控制

5.4.1艏向寻优控制

5.4.2垂直面平移运动控制

5.5轨迹跟踪方程简化

5.6轨迹跟踪模糊控制

5.6.1侧向运动航迹跟踪控制

5.6.2纵向地形跟踪模糊控制

5.7本章小结

第六章全文总结与展望

6.1全文总结

6.2展望

参考文献

硕士期间发表论文情况说明

致谢