曹永辉[1]2002年在《小型智能水下航行器控制系统设计》文中研究指明水下航行器是进行海洋考察与开发的重要工具，研制与开发新型的智能水下航行器对于我国的海洋资源的开发、利用具有重大意义。 本文以“211”工程项目、西北工业大学航海工程学院设计制造的小型智能水下航行器为平台，设计了其自动导航与控制系统。主要完成了以下内容： 1．根据水下航行器的任务功能，设计了水下航行器的基于PC／104嵌入式计算机的控制系统的硬件组成； 2．设计了水下航行器的总体导航与控制方案：采用GPS与磁通门传感器相结合的路径规划与航向控制系统；以深度信息为参量的深度控制系统。 3．为提高航向控制精度，对航向控制系统中的磁通门传感器的误差进行分析，并提出了误差校正的方法。 4．根据水下航行器进行实航试验的结果，对航行器控制系统的性能进行分析，并提出了将来进一步改进的方案。
徐昊[2]2017年在《河流水下自主航行器系统设计及运动仿真》文中研究表明近年来随着水下自主航行器的快速发展,它在越来越多的领域得到了广泛的重视,并发挥着重要作用。微小型水下自主航行器由于体积小、重量轻、阻力小、成本低等优点成为近年来的研究热点。在设计中最大程度提高总体性能,使其续航更久、成本更低,建立运动仿真系统,并掌握其操纵性能有着重要意义。本文研究设计了用于河流探测的河流水下自主航行器,对其进行了系统设计和运动仿真系统的搭建,完成的工作主要包括以下几个方面:(1)分析河流水下自主航行器任务特点,对其系统按学科不同进行划分,将整个系统分为结构、阻力、能源、推进四个子学科系统,对这四个学科分别进行分析与建模,得到了各个学科中变量及因素与总体性能之间的关系,并根据规范和经验确定了初始设计方案。(2)针对传统设计方法所设计出的水下航行器总体性能欠佳问题展开了分析与研究。对多学科优化设计方法在河流水下自主航行器设计中的应用进行研究。对不同的优化设计框架和优化算法进行分析讨论,并通过算例计算进行对比,确定了基于同时分析与设计方法优化框架的序列二次规划优化算法作为该水下机器人多学科优化算法。基于上述算法对河流水下自主航行器进行优化,将总阻力和总重量作为优化目标,优化后的方案与初始设计方案对比,优化效果明显,证明该优化算法适用于河流水下自主航行器的优化设计。(3)对该水下航行器整体系统进行研究设计,完成了总体布置,并对重心浮心进行校核;对河流水下自主航行器的控制系统进行设计分析,针对一般水下航行器控制系统复杂、拆装维修麻烦的问题进行研究,基于模块化思想,对控制舱内电气系统和核心控制板开展设计研究,使设计的控制舱可以实现快速拆装和维修。(4)建立该水下航行器的运动仿真模型并搭建运动仿真系统。根据优化后的方案,对河流水下自主航行器多桨操纵下的运动进行了研究,根据其运动特点建立空间运动的动力学方程。通过实验获取推进器推力曲线,使用流体计算软件求取艇体水动力系数。建立运动仿真系统,实现了水平面、垂直面和空间仿真操纵的目的。本文对河流水下自主航行器进行系统设计并开展了多学科优化研究,根据优化后的艇型,建立运动仿真系统,为实际工程应用提供一定参考。
石俭[3]2016年在《基于视觉的小型水下航行器的控制系统设计》文中认为水下机器人是复杂海洋环境工作中的重要运载工具,随着世界各国对海洋资源开发的日益重视,水下机器人在海洋矿产勘探、海底地形探测和深海基础设施检查等的应用需求越来越大。而水下光视觉可以在水下机器人近距离观测作业中提供更丰富的高分辨率信息,受到国内外学者的广泛关注。因此开展基于视觉的小型水下航行器控制系统研究,对于提高水下机器人自主能力及智能化水平,具有重要地理论研究意义和实际应用价值。在对水下航行器的光视觉目标检测方法研究中。首先,针对水下图像降质问题,建立水下光传播的衰减模型和水下成像系统模型,通过水介质中光的衰减对颜色进行恢复的算法来复原图像完成预处理工作;然后,采用基于HSV的自适应彩色图像分割方法来对水下目标物体进行分割,并通过区域几何形状特征参数约束提取方法,最终实现对运动目标区域的提取。最后,对动目标跟踪方法的研究中,采用基于Kalman预测器结合动态检测窗口的目标跟踪算法,通过提取图像中目标质心位置信息来实时对预测结果进行更新校正,并进行了水下航行器动目标跟踪实验研究,以验证所用的目标跟踪方法的实时性和有效性。在水下航行器光视觉目标识别跟踪系统的基础上,对其控制系统进行研究和设计,首先,对控制系统的总体结构及其通信总线进行了设计;然后,分别详细设计了分布式系统的各个子系统,包括主控计算机系统、通信系统、推进器控制系统、电源管理与安全系统和传感器信息采集系统;并对控制系统的软件结构进行了设计,最终形成了由软硬件系统组成的基于视觉的分布式控制系统。在基于视觉的控制系统基础上,为了实现水下航行器的自主目标跟踪功能,对其运动控制系统进行了仿真研究。首先,本文对所设计的小型水下航行器的艇体结构及各传感器分布进行介绍;然后,对所研究的水下航行器的六自由度运动模型进行了分析,并解耦升沉和航向的动力学方程表达式;最后对解耦的航向子系统与升沉子系统的控制进行了设计与仿真,为后文的水下目标识别跟踪控制实验做了理论上的铺垫工作。最后,对该小型水下航行器进行了大量的水池实验,包括传感器滤波实验,深度、航向控制实验,结合本文研究的基于光视觉的目标识别跟踪系统设计了自主水下目标跟踪撞球实验,验证本文所设计的基于视觉的控制系统的实时性和稳定性。
应义星[4]2016年在《面向移动观测的小型AUV“玄武-1”的设计和制作》文中认为认识海洋、开发海洋是现今国际上的热点话题。为了获取海洋数据,需要强有力的技术保障。卫星遥感、科考船、浮标、水下机器人、海底观测网络等技术手段都在海底探测活动中得到了广泛的应用。其中,海底观测网络是一种日趋成熟的,能够实现全天候观测的固定平台；自主水下航行器是一种重要的移动式大范围观测设备。二者的结合能充分发挥两者优势,不仅实现了固定式观测网向移动式的延伸,而且提高了自主水下航行器的水下持续作业时间和数据传输效率。本论文详细论述了“玄武-1”号自主水下航行器的设计制作流程和技术细节。这是一种面向移动观测的小型自主水下航行器,以浙江大学海底观测网络为基础,在海底观测网络末端节点设置对接基站,通过和该基站的对接实现无线电能传输和数据交换。为了达到面向移动观测的自主水下航行器的设计要求,本论文主要进行“玄武-1”的原型机设计和测试,提出了一种小型化、模块化、可对接、开架式的AUV原型。本论文主要任务包括“玄武-1”的整体功能设计、结构和外形设计、系统硬件设计、数学模型建立、系统总成和测试。基于以上工作基础,本设计为无线充电技术的实现、组合导航定位系统的测试以及水下声呐试验提供了可靠的载体。
李凯强[5]2016年在《小型自主水下航行器系统设计与运动分析》文中研究说明海洋油气资源的开发是国家能源安全的可靠保障,海上石油钻井平台等海洋资源开采设备日常维护量大且所处环境恶劣复杂,而人工维护存在着效率低、范围小、安全性差且成本高等问题。本课题为了解决上述出现的问题,设计了一种针对于狭小复杂环境的多推进式小型自主水下航行器。本课题针对于狭小复杂的水下应用场景,确定航行器的设计理念为小巧灵活且高度自治,进而根据设计理念并结合实际需求,进行自主水下航行器的机械系统设计和控制系统设计,主要包括整体布局、推进系统设计、外形设计、计算流体力学仿真、传感器设计选型和整个电气控制系统设计等,通过不断的仿真优化确定航行器的最终设计,即基于视觉和惯性导航的多推进式小型自主水下航行器。针对于设计的航行器结构展开运动分析,得到航行器的运动学和刚体动力学模型,进而将合外力展开分析航行器受到的可控推力,附加质量力、粘性阻力和水下恢复力,最终确定实例化且包含流体阻力的航行器动力学模型,该模型是对整个航行器系统最精确的描述,且是控制模型的基础。根据航行器的水下应用场景,航行器采用了惯性测量和单目视觉的测量的方法,对经典的空气中的单目P4P模型进行改进应用于水下环境。同时,考虑到惯性测量的误差积累问题和视觉测量的离散性问题,课题设计了基于惯性测量和视觉测量的融合算法,通过迭代求解的过程解决上述两种测量的问题。为了了解各测量方法的实用性及测量误差,课题设计一套水下惯性和视觉测量联合误差分析装置,用以分析惯性测量、视觉测量及其融合测量的误差,并通过大量的水下实验对各种测量方法的误差进行分析。在上述虚拟设计和理论研究的基础上,研制了第一代自主水下航行器样机,并命名为SAIL号。以SAIL号样机为平台,通过实验对航行器的机械系统、电气系统、实例化的动力学模型和测量系统进行试验分析,表明自主水下航行器样机符合最初设计要求的小巧灵活的特点,后期将进一步展开航行器自治能力的研究。
刘青[6]2017年在《小型自主水下航行器垂直面的运动控制研究》文中研究说明自主水下航行器(AUV:Autonomous Underwater Vehicle)作为一种海上力量倍增器,有着广泛而重要的军事用途,在未来海战中有不可替代的作用。无人水下航行器的控制设计是控制系统设计的一个重要领域。由于非线性动力学特性、模型的不确定性和难以测量或估计的干扰通常导致控制难以实现。本文主要研究一种小型水下航行器垂直面控制问题,由于水下航行器非线性模型中变量多、耦合强且参数不确定,尤其是其附加质量、阻尼系数等流体动力学参数对水下航行器控制的影响十分复杂,将模型进行解耦,简化动力学参数,重新构建模型,算法采用动态面滑模控制以及自适应机制,将两者优点结合起来构建动态面滑模自适应控制器,使系统能够在控制过程中动态估计系统的不确定参数,消除反步法引起的微分项膨胀,达到理想的控制效果。首先,水下航行器平台搭建。根据性能要求,仿照“C-Sweep”对水下航行器进行机械外型,控制系统结构,软硬件系统设计,外型根据受力仿真达到最优外形。控制系统分为四层任务层,导航层,控制层和AUV实体,确保完成水下多任务的目标。硬件采用工控机,通信模块,DSP嵌入式主机等,可在复杂环境下工作且精度高;软件采用VC6.0编译环境,便于数据处理与保存,使信息交互有一个完整、稳定、时效高的环境。其次,模型建立。建立AUV的空间运动体坐标系,根据惯性坐标系和体坐标系之间的转换关系建立水下航行器的五自由度的运动学模型,再根据水下航行器受力分析,得到动力学模型,将运动学模型和动力学模型联立得到水下航行器的数学模型,针对数学模型中存在的建模动态和外界环境干扰等因素,等效为系统干扰项,按照运动平面解耦方法简化模型得到纵倾角模型和深度控制模型。最后,运动控制器设计。纵倾角和深度控制采用动态面滑模和自适应相结合分别设计纵倾角控制器和深度控制器,进行了垂直面的研究。设计两种方案进行变深控制对比,仿真研究结果验证了深度—纵倾控制策略不仅对纵倾角限制,而且减少了调节时间,使得AUV的稳定性和安全性得到了保证。
陈晓静[7]2008年在《无人潜航器的自动航行系统研究》文中进行了进一步梳理浩瀚的海洋蕴藏着丰富的矿产资源、生物资源和各种能源,是人类社会可持续发展的重要财富。随着对海洋资源的进一步探索与开发,作为海洋资源开发的助手,无人潜航器(Unmanned Underwater Vehicle,UUV)的研制引起了各国极大的重视。而各种无人潜航器在完成各种复杂的作业和安全航行时,就必须按要求进行相应的操作,从而运动控制就成为UUV能否完成预定任务的一项关键性技术。无人潜航器的操纵系统是实施最佳航行计划、保持船舶航行在预定航向上、同时根据避碰和避险系统的指令进行相应操船行动的指令执行系统。潜航器借助其操纵装置来改变或保持艇的运动速度、姿态、方向和深度的性能称作潜航器的操纵性。当潜航器具有良好的操纵性时,既能稳定地保持航向、深度和航速,又能迅速改变航向、深度和航速,准确地执行各种操作。不言而喻,良好的操纵性对于无人驾驶潜航器的工作效能、安全性都具有非常重要的意义。本文依托交通部实验室建设项目“水下打捞探测作业平台”,将模糊自适应和PID控制算法引入无人潜航测量器的航向控制系统设计中,从而保证小型无人潜航测量器在水下定深处能够按照预定航线完全自动航行。针对无人潜航器操纵系统智能化的特点,本文首先介绍了国内外无人驾驶潜航器及其运动控制系统的研究现状以及目前智能控制系统的发展情况,然后对模糊控制理论和PID控制原理分别作了介绍,在此基础上设计了简单模糊控制器和模糊PID复合控制器来控制电机,给出了航行控制系统的整个方案设计,最后对两种控制器下的航行系统进行了仿真验证。本文的研究对该项目的顺利实现和海洋开发有一定的现实意义。
张宏德[8]2013年在《微小型观探测UUV水下组合导航技术的研究》文中提出微小型水下航行器越来越广泛地应用在执行各种复杂海洋环境下的地形地貌勘测以及军事侦查、反侦察等作战任务中。本文以哈尔滨工程大学学科条件建设项目为背景，针对微小型水下航行器的特点，研究制定了适合微小型水下航行器的组合导航系统方案，开展了基于SINS/DVL多传感器数据融合的组合导航技术的研究，并完成了组合导航系统的软硬件设计。论文重点研究了姿态解算算法和多传感器融合滤波方法，介绍了传感器以及捷联惯导的误差模型，最后采用航位推算方法，实现了仿真条件下微小型水下航行器的组合导航定位。根据课题需求，论文开展的主要工作如下：首先，根据项目要求，选取了导航位姿测量单元，通过Pro/ENGINEER软件对导航设备在微小型水下航行器舱体中的布局进行设计。而后建立了微小型水下航行器导航系统的参考坐标系，分析了捷联惯导的基本原理及误差模型，研究了姿态解算算法，对基于四元数的姿态解算方法进行了设计，并在Simulink下建立了姿态解算仿真模型，对解算算法进行了仿真验证；其次，论文重点研究了线性卡尔曼滤波器的滤波原理和方法，通过仿真以及实验对卡尔曼滤波器的滤波效果进行了验证。而后研究了航位推算算法以及导航传感器安装误差的补偿方法，可有效地提高微小型水下航行器在实际航行中的导航精度，并对微小型水下航行器的航位推算算法进行了仿真验证。然后基于WindRiver公司的VxWorks实时操作系统对组合导航的软件进行设计，给出了程序中主要模块的设计思路和程序流程；然后，在实验室条件下开展了组合导航系统的半实物仿真实验，在静态条件下对惯性传感器和深度计输出的数据进行分析，而后仿真了捷联惯导的算法和组合导航算法，并对仿真结果加以分析比较，仿真结果表明：采用基于SINS/DVL的组合导航方案能实现微小型水下航行器长航时的定位精度，为微小型水下航行器实际的航行提供了有效的保证；最后，针对课题中对系统设计中存在的不足，提出了需要继续深入研究的方向，提出了可行的改进方法。
王刚[9]2013年在《基于多传感器的AUV控制系统》文中研究指明微小型AUV具有体积小，灵活性高、隐蔽性好等特点，可以工作于其它大型水下机器人无法进入的区域。民用上可以应用于海洋矿产勘探、海底地形探测，沉船打捞，水下考古，海洋生物探测等；军事上可以用来反水雷，作为自航水雷的载体、监察海战时水下敌情等。首先，本文对所设计的微小型AUV的结构、推进器分布进行介绍，并对其进行受力分析和建立运动方程。结合运动方程设计了被控对象模型未知的AUV自动定深、自动定航控制器；同时研究了传统的PID控制、模糊控制、自适应控制等算法，并最终设计了应用于该微小型AUV的模糊参数自适应PID控制算法。其次，对该具有多传感器的微小型AUV控制系统进行了研究设计。针对分布式控制系统总体机构及其通信总线进行了设计；分别详细设计了分布式系统的各个子系统；着重研究、设计了理论、算法及软件实现方案；计了基于CAN总线的分布式微小型AUV控制系统，提高了系统的稳定性和模块化程度，在结构上优化了系统的复杂性。最终形成了由软硬件系统组成分布式控制系统。再其次，根据SINS、DVL和深度计这叁个传感器的姿态角、角速度，线速度、加速度，深度等导航信息进行了AUV的航位推算研究与实现；并使用综合水池实验室的X-Y航车系统，反复试验，对航位推算进行了标定，修正了安装误差角和刻度因子。提高了航位推算精度。结合航位推算和AUV制导控制设计了有海流影响的AUV自动巡航控制器。抗海流自动巡航控制器除抗海流功能外可以补偿SINS与艏向安装误差带来的控制性能缺陷。经过大量水池实验，从每一个传感器的数据处理到多传感器融合计算空间位置信息，再到利用前一过程所得信息对AUV进行有目的控制实验，验证文中所设计的控制器的正确性。经过参数调试得到了较好的控制效果。最终的水池实验结果表明该论文所设计的基于多传感器的水下机器人控制系统，实现了较好的运动控制效果和较为准去的航位推算结果，但还需解决存在的问题，并对控制算法和和提高航位推算进行深入的研究，使该微小型水下器人的稳定性得到进一步加强，早日实现水下目标自主探索。
侯巍[10]2006年在《具有着陆坐底功能的水下自航行器系统控制与试验研究》文中认为在国家高技术研究发展计划(863计划)项目资助下,本论文研究开发了一种新型水下自航行器AUV-VBS(Autonomous Underwater Vehicle with Variable Buoyancy Systems)。该系统具有着陆坐底功能、可实现长时间水下监测,对于海洋动力环境监测和军事领域具有重要的应用价值。本文以小型化、经济型为总体设计目标,主要研究了AUV-VBS的动力学仿真、系统控制与水域试验,并开发了原理样机。系统仿真与试验结果验证了本文研究理论与方法的正确性和有效性。论文主要研究内容和成果如下:1)首创设计完成具有可着陆坐底功能的水下自航行器AUV-VBS原理样机及其系统控制,并实现系统航行与着陆坐底功能。2)建立了AUV-VBS的六自由度动力学模型,通过数值仿真验证了建模方法的正确性和模型的有效性,并得到了AUV-VBS的一些重要运动参数。为了设计控制器的需要,运用解耦和小扰动理论,将AUV-VBS一般动力学方程简化为航速、航向、深度/倾角叁个弱耦合子系统,获得了AUV简化线性控制模型,并对简化模型的有效性进行仿真验证。3)将CAN总线引入AUV-VBS控制系统硬件设计,设计了基于CAN总线的分布递阶控制系统体系结构。制定了CAN总线的应用层协议、并编制了相应的系统软件。提出了完备的软硬件系统及采用的可靠性措施。本文所设计的控制系统具有可扩展、易移植等特征。4)针对PID控制器存在的局限性,在研究分析非模型滑模控制器的基础上,设计了滑模模糊控制器,并提出了其时间次优解的实现方法。通过系统仿真与试验,显示了滑模模糊控制器所具有的诸多优点,验证了滑模模糊控制器的控制性能。5)水下着陆策略是实现AUV-VBS系统功能的关键技术,本文对AUV-VBS的水下着陆策略进行了详细系统的研究,提出了四种着陆策略。通过仿真和试验研究总结了不同着陆策略的优缺点及适用范围。6)针对本文所开发的AUV-VBS进行了大量试验,包括实验室无水条件试验、水域试验、宽水域大深度试验和海试。采用系统仿真与试验结合的方法,进行了系统的试验研究。该试验不仅验证了本文研究理论与方法的正确有效性,而且得出了很多具有理论与实用价值的结论。
参考文献：
[1]. 小型智能水下航行器控制系统设计[D]. 曹永辉. 西北工业大学. 2002
[2]. 河流水下自主航行器系统设计及运动仿真[D]. 徐昊. 哈尔滨工程大学. 2017
[3]. 基于视觉的小型水下航行器的控制系统设计[D]. 石俭. 哈尔滨工程大学. 2016
[4]. 面向移动观测的小型AUV“玄武-1”的设计和制作[D]. 应义星. 浙江大学. 2016
[5]. 小型自主水下航行器系统设计与运动分析[D]. 李凯强. 哈尔滨工业大学. 2016
[6]. 小型自主水下航行器垂直面的运动控制研究[D]. 刘青. 燕山大学. 2017
[7]. 无人潜航器的自动航行系统研究[D]. 陈晓静. 大连海事大学. 2008
[8]. 微小型观探测UUV水下组合导航技术的研究[D]. 张宏德. 哈尔滨工程大学. 2013
[9]. 基于多传感器的AUV控制系统[D]. 王刚. 哈尔滨工程大学. 2013
[10]. 具有着陆坐底功能的水下自航行器系统控制与试验研究[D]. 侯巍. 天津大学. 2006