基于預(yù)測控制的水下滑翔機器魚位姿控制方法研究.pdf

1、水下滑翔機器魚是一種新型水下機器人，結(jié)合了仿生機器魚和水下滑翔機的特點，具有體積小、成本低、混合驅(qū)動、工作方式靈活和續(xù)航時間長等優(yōu)點，在水下協(xié)同探測與搜救等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本文根據(jù)滑翔機器魚的自身特點及應(yīng)用需求，在建立其數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，應(yīng)用模型預(yù)測控制方法，深入研究了姿態(tài)控制和跟蹤控制設(shè)計方法，包括指標(biāo)函數(shù)的構(gòu)造、數(shù)值優(yōu)化算法的選擇和控制器參數(shù)的設(shè)計等，具體研究結(jié)果可歸納如下。
　　首先，根據(jù)滑翔機器魚的組成及原理，將機

2、器魚簡化為若干適當(dāng)位置的動態(tài)和靜態(tài)質(zhì)點，進而將整個機體看作由動態(tài)質(zhì)量（移動滑塊）和靜態(tài)質(zhì)量（其余部分）組成二剛體系統(tǒng)進行受力分析。建立了慣性、機體、和速度坐標(biāo)系并推導(dǎo)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化關(guān)系，由方向余弦矩陣微分方程和坐標(biāo)轉(zhuǎn)化關(guān)系得到了運動學(xué)方程，再基于機體所受力和力矩關(guān)系分析建立了動力學(xué)方程，從而完成了系統(tǒng)建模。在此基礎(chǔ)上，搭建了Simulink仿真模型，為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。
　　其次，針對滑翔機器魚滑翔運動中的姿態(tài)控制需求，根據(jù)水下滑翔

3、機器魚的模型特點，設(shè)計了基于非線性模型預(yù)測控制方法的姿態(tài)控制器，實現(xiàn)了以魚尾角度為輸入的偏航角控制及以滑塊質(zhì)量矩為輸入俯仰角的控制。為解決輸入飽和及跳變問題，對指標(biāo)函數(shù)進行了改進，同時結(jié)合仿真分析了指標(biāo)函數(shù)中加權(quán)系數(shù)的作用，并給出這些系數(shù)合理的選擇方法。為提高滾動優(yōu)化的實時性，對不同的數(shù)值優(yōu)化算法進行了對比分析，給出了減小計算耗時的方法。然后，通過大量的仿真分析驗證了方法的有效性。
　　最后，針對滑翔機器魚實際應(yīng)用中的跟蹤和懸停工

4、作模式需求，進一步研究了基于非線性模型預(yù)測控制的跟蹤控制問題。通過構(gòu)造不同的指標(biāo)函數(shù)，分別設(shè)計三個輸入（水囊質(zhì)量、滑塊位置、魚尾角度）和兩個輸入（水囊質(zhì)量、滑塊位置）兩種情形下的目標(biāo)控制器，前者可以不僅可以實現(xiàn)目標(biāo)跟蹤、還可以實現(xiàn)目標(biāo)點處的懸?？刂?；后者只能實現(xiàn)途徑目標(biāo)點，但與前者相比更加節(jié)能。針對后者欠驅(qū)動特性導(dǎo)致跟蹤能力限制，結(jié)合模型對兩個輸入情形下的可行域進行了分析，給出了所能跟蹤的目標(biāo)點的區(qū)域。此外，進一步設(shè)計了通過姿態(tài)控制位置