基于双闭环的矢量推进器的AUV转向控制方法

水下无人自航行器(autonomous underwater vehicle,AUV)在对海洋环境进行勘查与测量时,实际航迹与目标航迹的偏差要求控制在一定精度范围内.在传统常采用的航向单闭环方法控制下,基于矢量推进器的AUV在高速转向时存在航迹跟踪效果差的缺点.针对这一问题,设计了一种双闭环自适应转向运动控制方法.该方法基于矢量推进器机动性强的特性,在AUV转向时将航向控制闭环和航速控制闭环设计成双闭环,调整航向的同时依据航向环偏航角差实时控制航速环AUV转向目标速度.理论分析和实验证明:在AUV转向时,该控制算法可以更好地实现航迹跟踪,实际航行轨迹与目标航迹的最大偏差可以控制在10,m以内.     

动力定位船矢量推进器回转动力学响应分析

为研究全回转矢量推进器回转动力学系统的响应特性,对瓦锡兰某型矢量推进器的液压回转系统的组成进行深入分析,研究了泵控液压马达驱动齿轮减速机构带动推进器进行回转的工作原理,建立了矢量推进器回转动力学系统的数学模型,提出了一种全回转矢量推进器实现目标方位角快速跟踪的改进控制方法,构建了一种矢量推进器回转动力学异步控制频率仿真系统,分析了不同目标方位角时推进器的方位角、角速度、液压系统的动态响应特性,建立了矢量推进器回转响应的物理约束条件.仿真结果表明,建立的动力学模型可模拟真实矢量推进器的回转运动响应过程,同时可实现矢量推进器回转方位角的快速、准确控制,对全回转矢量推进器和动力定位船舶推力分配方法的研究具有较重要的指导意义和工程价值.      

变螺距推进器设计与研究

本文提出了一种采用螺距变化方式实现侧向力输出的水下航行器推进器方案．该推进器内部有主推电机、螺距控制电机及齿轮组，螺距控制轴与推进主轴同轴安装，通过对电机转速进行控制可以周期性地改变桨叶的螺距角，从而实现侧向力输出．采用计算流体动力学(CFD)方法对该推进器的水动力特性进行了研究，结果表明：采用正弦曲线的规律控制螺距角变化可以产生稳定的侧向力，侧向力曲线在桨盘极坐标下为圆形；平均侧向力方向与螺距控制初始相位方向一致；在螺距角变化幅值为9°的情况下，产生的平均侧向力大小约为40 N．此外还仿真研究了侧向力、推力与螺距角变化幅值、转速的关系，结果表明：当螺距角变化采用正弦曲线时，推进器产生的平均侧向力与螺距角变化幅值及转速的平方成正比；而平均推力受螺距角变化幅值影响不大，与转速的平方成正比．将仿真结果应用于自主水下航行器(AUV)的动力学模型，验证装有此推进器的AUV的操纵情况．计算结果表明，当水下升潜和水平回转运动时，采用基于螺距控制的推进器可以实现良好的操纵效果．相较于传统的螺旋桨+舵的操纵方式，该方案结构简单、减少了电机数量、提升了AUV艉部空间利用率．与已有矢量推进方案相比，变螺距...     

自主水下航行器载荷侧向分离三维运动仿真分析

为了对自主水下航行器(AUV)载荷侧向分离安全性进行研究,建立了AUV载荷侧向分离三维运动模型.基于多刚体系统笛卡尔动力学理论,考虑了侧向分离过程中载荷与运载器之间的耦合运动关系,采用带拉格朗日乘子的多体系统动力学方程,建立载荷侧向分离三维运动模型;基于刚体动力学理论,采用牛顿-欧拉方法,建立AUV载荷侧向分离后载荷与运载器的单刚体运动模型.为避免求解过程中出现约束违约现象,采用约束违约稳定法对AUV载荷侧向分离多体系统运动方程进行处理,采用四阶龙格库塔积分算法对一定工况下载荷侧向分离运动进行仿真,结果表明所建立的AUV载荷侧向分离三维运动模型是有效的.     

基于小波最优重构尺度的AUV推进器故障检测方法

针对采用传统小波方法检测外部干扰下自主式水下机器人(AUV)推进器故障时存在的故障检测灵敏度较低问题,提出一种基于小波最优重构尺度确定的AUV推进器故障检测方法,基于小波Shannon熵的小波最优重构尺度确定方法确定离散多层小波分解后细节系数的最优重构尺度,目的是滤除外部干扰等与故障无关信号,并选择故障信息含量最多的最佳重构尺度进行小波单支重构以识别AUV推进器故障特征.AUV实验样机水池实验结果表明,与传统小波方法相比较,所提方法故障检测灵敏度提高了27.78%.     

基于GA-Basic spline算法的AUV运动智能控制器

在研究B样条神经网络的基础上,提出了基于遗传算法学习的B样条神经网络控制算法,并应用于AUV运动控制,以AUV的航向控制和深度控制为例,进行了仿真验证.仿真结果表明该算法具有良好的控制性能.     

作业型ROV推进器动力学建模与响应分析

为研究深海作业型遥控水下机器人（remotely operated vehicle,ROV）液压推进器控制系统的动力学响应特性,建立了一种考虑螺旋桨动态负载影响的伺服阀控制液压推进器动力学系统的数学模型,提出一种伺服阀控制液压推进器的马达流量、压力、扭矩、转速、螺旋桨转矩和推力的求解方法.通过数值仿真,分析了不同控制电压下伺服阀、液压马达和螺旋桨的动态响应过程及特点,建立了推力分配方法中推力简化约束模型,并得到了期望推力和推进器控制电压之间函数关系的数学模型.与推进器水池试验结果相比,本文仿真结果准确可信.这种完整和准确的液压推进器动力学系统的数学模型,对实际水下机器人和动力定位船舶的运动控制方法、推力分配策略及推进器控制的研究,具有一定的指导意义和工程价值.      

基于模糊航向制导的AUV航迹控制方法研究

提出了基于模糊航向制导的水下机器人间接航迹控制方法，航向制导环采用模糊算法进行最优艏向实时解算，再以此艏向作为期望航向进行航向控制；为提高系统的鲁棒性和自适应性能，航向控制环采用滑模控制器，最终实现AUV的航迹跟踪，最后，根据此方法进行了航迹跟踪试验，结果表明模糊艏向解算器的航迹控制精度要大大高于PID艏向解算器，并且设计方法易于理解，便于工程设计和应用。     

潜器全方位推进器主轴转速H~∞鲁棒控制

为有效对潜器全方位推进器主轴调速系统进行控制,基于永磁同步电机状态空间模型,针对全方位推进器主轴控制系统的参数摄动和负载转矩波动,设计了状态反馈鲁棒控制器.对潜器推进电机矢量控制的仿真结果表明,该方法能够有效抑制参数摄动和负载转矩波动对系统动态性能的影响,满足潜器推进的性能要求.     

基于自适应反步法的自主水下机器人变深控制

为实现自主水下机器人(AUV)的高精度变深控制,基于AUV垂直面的运动学和非线性动力学模型,提出了神经网络自适应迭代反步控制方法,设计了运动学和动力学控制器.文中首先考虑AUV非线性模型的攻角和水动力阻尼系数的不确定性,设计神经网络控制器来对纵倾运动中的非线性水动力阻尼项和外界海流干扰作用进行在线估计,并基于Lyapunov稳定性理论设计神经网络权值的自适应律,保证系统闭环信号的一致最终有界.最后通过两组仿真实验,比较了所设计的控制器在设定控制器增益参数下的系统响应和在扰动作用下的变深控制性能,结果表明,所设计的控制器具有较小的稳态误差和较高的跟踪精度.     

水下矢量推进器系统的设计与分析

运用三维软件PROE设计了一种基于杆件传动的液压驱动矢量推进装置,提出了通过控制液压缸驱动来达到控制壳体的偏转方向的方案.通过建立数学模型和MATLAB计算,证明了偏转角度与液压缸位移量一一对应的关系.通过AD-AMS仿真进一步证明了这种矢量推进装置应用于水下运载器的可行性,该装置能降低运载器推进系统的复杂性.     

小型4轴矢量推进式水下机器人定深控制技术

针对传统水下航行器低速航行时姿态控制效率低、机动性差的缺点,设计并构建了一款4轴矢量推进式水下机器人,使其在低速航行时仍然具有高可控性与高机动性. 依据该机器人的结构特点和运动特性,提出了一种基于自适应滑模控制的适合矢量推进式水下机器人纵向深度控制的高可靠性方法,并构建了鲁棒控制器,且配以平滑饱和函数,有效改善机器人控制的暂态品质和震颤现象,解决了该机器人建模时因动态系统高维、多输入、高度耦合、强非线性而产生的较大建模误差问题. 仿真结果表明,机器人的深度、俯仰角能迅速稳定在期望值附近.      

改进模糊层次分析法在AUV总体性能评价中的应用

摘要： 为了便于设计者合理地对无人自主潜水器(AUV)设计方案的总体性能进行评价并选择出优异的设计方案,根据AUV的功能用途和其技术性能,结合专家的意见,构建了AUV总体性能评价体系．并引入改进模糊层次分析法,求解出AUV评价指标体系中各评价指标的权重．应用实例对比分析表明,该AUV总体性能评价模型能客观地反映AUV的总体性能;评价过程清晰,简化了大量计算,是一种全新、高效的AUV设计方案评价方法．该评价方法能有效地将多目标问题转化为单目标问题,可用于AUV研制方案的评价、优化．     

固体姿轨控比例推力器动态特性研究

为研究直流伺服电机控制的固体姿轨控比例推力器动态响应特性,开展了冷流试验;并建立了相应的非线性数学仿真模型。由Matlab软件进行了推力器动态过程仿真。仿真结果与试验结果吻合较好,验证了仿真模型的正确性。将推力器的动态响应过程分为三个阶段,研究了不同参数对推力器动态特性的影响。结果表明:电机参数主要影响运动触发时间和针栓运动时间;外部作用力是响应速度的重要影响因素;推力迟滞时间由自由容积大小和针栓运动速度决定。     

Thrust Allocation Optimization in Dynamic Positioning Vessels with Main PropellerRudders

In order to deal with the chattering of rudder angle and the problem of non-convex attainable thrust regions,introduce the concept of dynamic attainable region for each thruster and rudder to limit the thruster rotational speed and the rudder angle,and decompose the thrust allocation optimization problem into several optimization sub-problems.The optimization sub-problems were solved by particle swarm optimization(PSO) algorithm.Simulation studies with comparisons on a model ship were carried out to illustrate the effectiveness of the proposed thrust allocation optimization method.     

基于飞蛾火焰算法的AUV三维全局路径规划

针对存在静态地形障碍和不规则海流的复杂海洋环境下的自主水下航行器（autonomous underwater vehicle,AUV）全局路径规划问题,采用飞蛾火焰优化（moth-flame optimization,MFO）算法搜索获得能耗最优的无碰路径。首先,将搜索空间栅格化后随机生成一组满足避碰需求的初始路径作为...