基于多波动鳍推进的仿生水下机器人设计、建模与控制

论文摘要

鱼类波动鳍推进模式具有流体扰动小、可产生矢量推力并且易于向水下机器人移植等显著优点,为未来水下机器人的仿生设计提供了新的选择,具有广阔的应用前景和理论研究价值。本文以波动鳍推进模式为研究对象,提出将模仿鱼类波动鳍结构、运动特征及推进功能的仿生波动鳍作为基本推进单元设计水下机器人推进控制系统的基本思想。论文主要围绕“基于多波动鳍推进的仿生水下机器人”仿生设计、多鳍推进控制系统动力学建模、多鳍协同波动推进控制技术三方面展开研究,主要研究内容及创新点如下:1.提出了“基于多波动鳍推进的仿生水下机器人”设计方案。论文在国内率先研究波动鳍仿生推进方式并将其应用于水下机器人的推进控制系统设计。基于四鳍正交平行配置结构的多波动鳍推进控制系统设计方案在原理上能够通过四条仿生鳍的波动主动产生沿载体轴向的推进力和用于姿态控制的偏航力矩与俯仰力矩,并且推进力与操控力矩的大小与方向可以通过改变仿生鳍波动参数及多鳍之间波动运动的协同关系进行控制。这种不依赖于任何舵翼装置主动产生推进力与操控力矩的能力不仅能够用于水下航行器的推进与姿态控制,而且有利于增强载体的低速稳定性和快速机动能力。基于波动鳍推进模式的多鳍推进控制系统设计方案为水下机器人的仿生设计提供了一个新的思路和选择。2.根据波动鳍的仿生学研究结果,并基于流体力学中的阻力模型,建立了波动鳍运动学模型与动力学模型。波动鳍运动学模型综合考虑了鳍面基线形态与运动特征、鳍面静态形状、鳍条运动规律、鳍面纵向与侧向位移等因素,能够用统一的数学形式描述波动鳍的形态特征与运动特征,具有较强的适应性。波动鳍动力学模型能够揭示波动鳍波动产生的六分量流体动力/力矩与鳍面波动参数、几何参数以及随载体运动速度之间的基本关系,并用于建立多波动鳍推进控制系统动力学模型以及分析其推进速度、能耗与推进效率。波动鳍动力学模型的正确性在基于多波动鳍推进的仿生水下机器人试验系统的推力、力矩以及推进速度测试试验中得到了验证。3.针对“基于多波动鳍推进的仿生水下机器人”推进系统与控制系统一体化设计的技术特点,提出了波动鳍推进模式用于水下机器人推进与姿态控制的多鳍协同波动推进控制方法。多鳍协同波动推进控制方法将水下机器人控制系统划分为多鳍协同波动控制与水下机器人运动/姿态控制两个层级。在多鳍协同波动控制层级,分别针对载体低速与稳速条件下的操控要求提出不同的多鳍协同控制算法,以产生期望的推力与操控力矩,并消除或抑制波动鳍产生的周期性力矩分量的不利影响。根据运动与姿态控制目标的不同,将仿生水下机器人控制系统的运动与姿态控制层级设计为双环控制系统。由于多波动鳍推进控制系统只能主动产生推进力、偏航力矩与俯仰力矩,因此将航速、航向与俯仰控制作为基本控制通道处于控制内环,其控制器采用模糊自适应PID控制策略进行非耦合分离设计;控制任务分解模块作为控制外环,其任务是将非基本控制通道的控制目标转化或分解为航速、偏航角与俯仰角控制目标,控制量的转化策略采用专家PID控制策略。在此基础上,根据多波动鳍推进控制系统动力学模型,提出相应的航速通道前馈补偿算法以及横滚姿态修正算法。通过在仿生水下机器人仿真系统上进行航速、航向、俯仰以及定深控制系统的阶跃响应、抗干扰性能和跟踪性能仿真,初步验证了多鳍协同波动推进控制方法用于水下机器人推进与姿态控制的有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的提出及其意义
• 1.2 仿生水下机器人技术国内外研究综述
• 1.2.1 水下机器人仿生设计研究综述
• 1.2.2 波动鳍仿生推进技术研究进展
• 1.2.3 水下机器人控制技术研究现状分析
• 1.3 论文主要研究工作
• 1.3.1 研究工作概述及论文组织结构
• 1.3.2 创新点分析
• 第二章 基于多波动鳍推进的仿生水下机器人设计
• 2.1 水下机器人仿生设计的基本思想
• 2.2 仿生学基础研究
• 2.2.1 波动鳍推进模式仿生学研究
• 2.2.2 多波动鳍组合推进模式的仿生学启示
• 2.3 基于多波动鳍推进的水下机器人仿生设计
• 2.3.1 波动鳍推进单元仿生设计
• 2.3.2 多波动鳍推进控制系统设计
• 2.3.3 仿生水下机器人设计
• 2.4 本章小节
• 第三章 多波动鳍推进控制系统动力学建模
• 3.1 波动鳍运动学建模
• 3.1.1 建模基础
• 3.1.2 波动鳍形态特征的参数化描述
• 3.1.3 波动鳍运动特征的参数化描述
• 3.1.4 波动鳍空间运动曲面模型
• 3.1.5 运动学模型的仿真验证
• 3.2 仿生波动鳍动力学建模与分析
• 3.2.1 波动鳍动力学分析的基本原理
• 3.2.2 波动鳍动力学建模
• 3.2.3 波动鳍动力学分析
• 3.3 多鳍推进控制系统动力学建模与推进性能分析
• 3.3.1 多波动鳍推进控制系统动力学建模
• 3.3.2 推进性能分析
• 3.4 本章小节
• 第四章 多鳍协同波动推进控制技术研究
• 4.1 基于多波动鳍推进的仿生水下机器人动态系统建模
• 4.1.1 仿生水下机器人6 自由度刚体动力学模型
• 4.1.2 仿生水下机器人流体动力学模型
• 4.2 多鳍协同波动控制策略研究
• 4.2.1 多鳍协同波动的动力学分析
• 4.2.2 低速条件下多鳍协同波动控制策略
• 4.2.3 稳速条件下多鳍协同波动控制策略
• 4.3 仿生水下机器人控制系统设计
• 4.3.1 运动与姿态控制问题描述
• 4.3.2 仿生水下机器人控制系统结构
• 4.3.3 基于模糊自适应PID 的航速、航向与俯仰控制
• 4.3.4 基于串级PID 的定深控制
• 4.3.5 航速控制通道的前馈补偿算法
• 4.3.6 横滚姿态修正算法
• 4.3.7 仿生水下机器人控制系统工作流程
• 4.4 本章小结
• 第五章 多鳍协同波动推进控制技术试验与仿真验证
• 5.1 基于多波动鳍推进的仿生水下机器人试验系统
• 5.2 多波动鳍推进控制系统推进性能试验验证
• 5.2.1 波动鳍动力学测试
• 5.2.2 多波动鳍推进控制系统推进性能测试
• 5.3 仿生水下机器人仿真系统设计与实现
• 5.3.1 仿真系统结构
• 5.3.2 仿真系统实现
• 5.3.3 仿真系统工作原理
• 5.4 多鳍协同波动推进控制技术仿真验证
• 5.4.1 仿真系统参数设定
• 5.4.2 多波动鳍推进控制系统开环性能仿真
• 5.4.3 仿生水下机器人闭环控制系统性能仿真
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 后续研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果