復合型水下機器人設計、辨識及控制技術研究.pdf

1、作為人類研究和開發(fā)海洋的得力助手，水下機器人在海洋工程領域正扮演著越來越重要的角色，尤其在海底電纜鋪設、海底搜救、海底軍事設施維護等工程領域。水下機器人能夠在潛水員不可能到達的深度進行綜合考察和研究，并能完成各種作業(yè)任務，在海洋開發(fā)中發(fā)揮著極其重要的作用。
　　但是未知多變的海洋環(huán)境比陸地環(huán)境要復雜得多，加上水下機器人自身存在強耦合、非線性、欠驅動及模型不確定性，使得有效控制成為技術難點。本文結合遙控水下機器人和自治水下機器人的優(yōu)

2、點，設計了一款復合型自治-遙控水下機器人，即“SMU I”ARV(Autonomous Remotely-operated Vehicle)。文中詳細介紹了該機器人的硬件系統(tǒng)組成和軟件結構設計，并依據推進器的布置，構建了該機器人的牛頓-歐拉動力學模型。考慮該機器人的對稱性和低速等特點，對模型進行了簡化，并采用多新息最小二乘法(Multi-innovation Least Squares，MILS)對模型參數進行了辨識研究；隨后進一步提出

3、了機器人在載荷變化條件下的模型辨識方法，包括Kalman濾波辨識方法和小波級數模型辨識方法；接著利用生物啟發(fā)神經動力學模型，完成抗驅動飽和路徑跟蹤控制器設計，并進行了路徑跟蹤控制算法的仿真實驗研究；最后利用“SMU I”ARV，在試驗水池進行了動力學模型參數辨識、狀態(tài)控制和聲納避障等方面的試驗研究。本文的主要研究內容和創(chuàng)新點概括如下：
　　1)復合型水下機器人設計方法研究
　　針對遙控水下機器人和自治水下機器人的應用局限性，

4、設計了一款自治-遙控水下機器人，能夠在自治航行中進行人為干預，完成一些精細操控作業(yè)；信息傳輸采用光纜替代電纜，可獲得高質量的實時高清視頻、遙測數據和操控靈活性，加上測距聲納的配合，使機器人可以更好地適應復雜未知的水下環(huán)境；利用CAN(Controller Area Network)總線對電池電壓和溫度進行監(jiān)測，可有效避免電池起火和爆炸；設計的模糊PID狀態(tài)控制器，可以更準確地控制水下機器人的運動狀態(tài)。
　　2)基于多新息的模型參數

5、辨識方法研究
　　針對穩(wěn)態(tài)模型的辨識精度問題，進行了水下機器人動力學模型辨識算法的仿真實驗研究。將多新息最小二乘法應用于縱向自由度動力學模型的辨識方案中，并和最小二乘法(Least Squares，LS)等方法進行比較，顯示該方法可以獲得更高辨識精度的模型參數。
　　3)變載荷條件下的Kalman濾波及小波模型辨識方法研究
　　針對動態(tài)模型的辨識精度問題，進行了水下機器人載荷變化條件下的動力學模型辨識算法的仿真實驗研究

6、。首先，將Kalman濾波方法應用到艏向自由度動力學模型辨識中，并和漸消記憶遞推最小二乘法進行比較，說明Kalman濾波方法具有更強的時變參數辨識性能，收斂速度更快。其次，提出了DOG(Derivative of Gaussian)小波級數辨識方法，對縱向自由度動力學模型的動態(tài)特性進行辨識，并和Haar小波辨識方法進行比較，得出采用DOG小波辨識方法可獲得更高的辨識精度。
　　4)生物啟發(fā)路徑跟蹤控制方法研究
　　針對常規(guī)反