基于模糊理论的AUV回收运动协调控制技术研究

论文摘要

海洋蕴藏着极其丰富的生物资源和矿产资源,随着海洋科技的发展,自主水下机器人已经成为海洋开发的重要工具,而它的回收是一个不可回避的问题。AUV水下回收则具有无可比拟的优势。AUV空间六自由度运动是一个具有强非线性、强耦合性的复杂控制系统。本论文致力于寻找一种有效的AUV回收过程控制策略和控制方法。尽管多种较为成熟的工业控制方法应用于其运动控制,但其控制效果不尽如人意。根据AUV回收过程中运动特点,基于混杂系统理论设计整个控制系统结构。利用Petri网技术设计AUV回收过程协调控制策略。基于模糊理论设计AUV回收行为层控制系统。最终实现AUV回收过程的自主控制。首先,基于建立的AUV运动数学模型,通过仿真对其耦合性进行分析。介绍AUV运动涉及的坐标系统及其转换关系,并分析AUV运动过程中的受力,得到平移运动方程和旋转运动方程,进而得到其空间六自由度运动数学模型；建立控制系统的海流干扰模型；通过仿真得到AUV操纵性特点和存在的主要耦合,并分析耦合原因,为控制器参数的设置提供依据。其次,基于离散事件动态系统监控理论设计了分层递阶结构的AUV回收控制系统总体框架,将其分为使命层、任务层、行为层。AUV回收运动即有连续动态又有离散事件,将其分解成一系列动作组合,理清事件间发生关系具有十分重要意义；Petri网技术在处理并发和冲突的事件方面具有无可比拟的优势；介绍混杂Petri网基本理论,并利用其为AUV回收过程控制系统使命层和任务层进行建模,提出一种水下回收控制策略。再次,基于模糊理论对AUV回收控制系统行为层进行设计。给出了AUV回收系统基本硬件结构组成。根据模糊控制器设计原理与方法,选择合适的隶属度函数和模糊控制规则,设计了单自由度运动的模糊控制器；针对AUV回收过程中的耦合特性,提出了一种基于模糊解耦理论的解耦控制方法。最后,采用分布式数字仿真平台设计案例仿真验证控制系统的控制效果。结合AUV回收过程中自身运动特点,分析了控制器参数设置方法和参数对控制效果的影响；验证了控制系统行为层控制单元、模糊解耦控制单元的控制效果；验证了AUV水平面运动控制系统的控制效果；验证无海流和有海流的情况下整个回收过程控制系统的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 背景和意义
• 1.2 AUV回收技术国内外研究现状
• 1.2.1 AUV回收方式研究现状
• 1.2.2 AUV回收的控制技术研究现状
• 1.3 模糊控制研究现状
• 1.4 主要研究内容和结构
• 第2章 AUV运动模型与耦合分析
• 2.1 引言
• 2.2 AUV回收运动的坐标系
• 2.2.1 固定坐标系
• 2.2.2 运动坐标系
• 2.2.3 坐标系之间的转换
• 2.3 AUV运动的受力分析
• 2.3.1 AUV的艇体水动力
• 2.3.2 AUV的重力和浮力
• 2.3.3 AUV的推力
• 2.4 AUV运动数学模型的建立
• 2.4.1 平移运动方程
• 2.4.2 旋转运动方程
• 2.4.3 六自由度运动模型
• 2.5 海流干扰模型
• 2.6 AUV回收运动操纵性及耦合性分析
• 2.7 本章小结
• 第3章 AUV回收协调控制策略
• 3.1 引言
• 3.2 混杂系统理论
• 3.2.1 混杂系统理论简介
• 3.2.2 Petri网理论简介
• 3.3 协调控制策略
• 3.3.1 AUV回收过程信息处理
• 3.3.2 AUV回收过程动作协调
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于模糊理论的AUV回收控制系统设计
• 4.1 引言
• 4.2 AUV回收控制系统框架
• 4.2.1 回收系统简介
• 4.2.2 协调控制系统结构
• 4.3 模糊逻辑控制器
• 4.3.1 模糊控制数学理论
• 4.3.2 模糊控制器设计要求
• 4.3.3 模糊控制器的设计
• 4.4 模糊解耦控制
• 4.4.1 解耦控制理论概述
• 4.4.2 模糊解耦方法
• 4.4.3 模糊解耦控制器的设计
• 4.5 本章小结
• 第5章 AUV回收过程运动仿真
• 5.1 引言
• 5.2 单自由度模糊控制仿真
• 5.3 水平面运动控制器的设计与仿真
• 5.3.1 横向位置与航向的解耦控制运动仿真
• 5.3.2 水平面运动仿真
• 5.4 AUV回收过程运动仿真
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢