自主式水下航行器的模塊化建模與控制.pdf

1、自主式水下航行器(AUV，Autonomous Underwater Vehicle)是一種能夠在水下航行的機器人，它通過自身裝載的推進器提供動力，其自帶的計算機利用由各種傳感器收集到的相關(guān)數(shù)據(jù)實現(xiàn)自主控制、完成預設任務。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，AUV的相關(guān)技術(shù)不斷提高，在科學，軍事，石油工業(yè)等多個領(lǐng)域的應用不斷擴大。憑借其巨大的應用前景，以及與傳統(tǒng)的海洋探索、勘測手段相比，大幅提高的性價比，許多國家和科研院所對AUV的研究、開發(fā)投入了大量的

2、人力、物力。 建立AUV的動力學模型是對其進行運動控制的基礎，本文針對采用Myring型外形輪廓的AUV提出一種模塊化建模方法，以實現(xiàn)快速便捷的建模。對得到的AuV動力學模型進行線性化處理，針對線性模型設計PID控制器，實現(xiàn)對AUV的運動控制。本文的主要工作如下。 首先，分析AUV的運動學模型。描述AUV的運動狀態(tài)需要兩個坐標系，慣性坐標系和船體固定坐標系。慣性坐標系用于描述AuV的位置和方向，船體固定坐標系用于描述AU

3、V的速度。推導出兩個坐標系之間的變換關(guān)系，利用牛頓力學第二定律，并把AuV看作為剛體，經(jīng)過一系列的推導，可以得到AUV的一般運動模型。 接著，在運動學模型的基礎上，分析各個具體的外力。AUv的外力主要包括流體靜力，流體動力以及推進器產(chǎn)生的動力。其中，流體靜力包括AUV的重力和自身所受到的浮流力。流體動力主要包括阻力，升力和附加質(zhì)量。推進器通過螺旋槳產(chǎn)生推力的同時，會附帶產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)矩。 然后，提出針對采用Myring型外形

4、輪廓的AUV的模塊化建模法。根據(jù)模塊化思路，結(jié)合流體力學理論、經(jīng)驗公式，確定對AUV模塊化的具體方法，以及需要從各個模塊得到的基本數(shù)據(jù)。根據(jù)這些基本數(shù)據(jù)，利用經(jīng)驗公式、節(jié)片理論，制定出計算整個AUV所受的各個分力或相關(guān)系數(shù)的具體方法。之后，利用這種模塊化的方法計算確定AuV的完整動力學模型。為驗證模型的準確性，采用AUV“Starfish”的具體數(shù)據(jù)進行模擬仿真，并把得到的結(jié)果與采用Prestero的模型得到的結(jié)果進行比較。 最