基于自适应反演滑模控制的AUV水平面动力定位方法

自主水下航行器(AUV)是一种高度耦合的强非线性系统,传统的定位方法采用解耦线性化模型,很难保证控制品质。本文针对未知海流作用下AUV的非线性水平面运动模型,充分利用其运动学和动力学模型的特性,提出了基于自适应反演设计方法的AUV水平面动力定位算法,在线估计海流速度。仿真结果验证了跟踪控制系统的全局渐进稳定性,及对有界外部扰动的鲁棒性。     

尾翼对微型ROV运动稳定性的影响

为了提高微型ROV水下运行时的稳定性,通过在ROV本体上增加不同的尾翼来达到调节运动稳定性的目的。对微型ROV的动力学方程进行了简要的分析。采用Fluent仿真软件对未安装尾翼时的ROV运动稳定性进行分析,在此基础上分析不同斜度,不同安装位置以及不同高度的尾翼对整个ROV运动稳定性的影响,通过ROV运动稳定性判定的指标,比较不同情况下运动稳定性指标的计算值,筛选出最优尾翼方案,最终为流线型微型ROV尾翼设计给出指导性意见。     

AUV协同定位性能与编队构型分析

针对三领航艇自主水下航行器(AUV)协同导航系统,在不简化距离量测方程的前提下推导系统定位性能评价函数,在此基础上分析系统定位性能与编队构型、集群航速以及艇间距离之间的耦合关系。同时,通过理论分析证明在一定条件下该系统定位性能评价函数可以退化为最简形式,且该最简定位性能评价函数与误差椭圆法、Fisher信息矩阵法相关结果在表达形式上具有一致性。进一步,通过推导AUV位置估计的克拉美-罗下界(CRLB)完善系统定位性能评价函数并定量分析艇间测距噪声对系统定位性能的影响。最后,基于系统定位性能评价函数分析构建三领航艇协同导航系统最优、次优与最差编队构型,并通过仿真实验证明分析结论与编队构型的有效性。仿真实验结果表明,当AUV集群以最优、次优编队构型航行时,降低集群速度可以在一定程度上提高系统定位性能,在本文设置实验条件下系统定位精度可以提高9.11%,但改变艇间距离对定位性能几乎没有影响;当AUV集群以最差编队构型航行时,降低集群速度与缩短艇间距离均可提高系统定位性能,若两者同时满足将大幅提高系统定位性能,在本文设置实验条件下系统定位精度分别提高63.17%、63.99%与81.50%。     

嵌入式ARM在基于以太网的AUV控制系统中的应用

提出了一种基于星型以太网拓扑的水下自主航行器（AUV）分布式控制系统体系结构,并开发了以嵌入式ARM处理器为核心的运动控制单元。首先介绍了系统总体结构及各节点单元的功能,然后介绍了以ARM7处理器LPC2292为核心的运动控制单元硬件设计。选用以太网控制器CS8900A作为该单元网络通讯硬件,设计了其与ARM的接口电路。编写了硬件驱动以及网络通讯相关软件。实验证明在该处理器平台上成功实现了网络通讯及嵌入式WEB服务器的构建,因其良好的交互性,方便了前期的调试和日后的维护。     

面向AUV多学科设计优化的参数化几何建模及其关键技术

为解决自主式水下航行器(AUV)多学科设计优化过程中几何模型自动更新的问题,研究了面向AUV总体概念设计的参数化几何建模方法及其关键技术。在具体分析AUV多学科设计优化流程及其对参数化几何建模要求的基础上,以UG NX7.0软件作为二次开发平台,利用VC++驱动其UG/Open API的建模功能函数,创建AUV参数化几何建模的工程应用程序,并重点解决了CAD建模过程中的结构特征关联、特征曲线控制、肋骨类型转换、曲线段壳体肋骨建模和冗余特征参数处理等关键技术。最终,通过两个优化实例验证参数化几何建模方法的可行性,结果表明该方法满足了多学科设计优化的要求,对建立AUV总体概念设计多学科优化集成平台有重要意义。     

一种欠驱动AUV模型预测路径跟踪控制方法

本文针对欠驱动自主水下航行器(AUV)的约束路径跟踪问题,设计了一种模型预测路径跟踪控制器。首先定义路径参数的二阶导数作为路径虚拟控制律,并将参考路径的模型扩展到AUV路径跟踪预测模型;然后采用非线性模型预测控制设计了欠驱动AUV的约束路径跟踪控制律,通过对约束优化问题的滚动求解,得到满足约束的扩展控制输入。最后采用REMUS AUV的模型参数对提出的控制律进行了仿真研究,结果说明了控制器在显式处理约束的同时,表现出良好的跟踪效果。     

基于刚柔耦合与联合仿真的AUV发动机动力学研究

结合多刚体动力学和多柔体动力学理论,建立自主式水下航行器发动机中相关柔性体的刚柔耦合运动学、动力学数学模型;在ADAMS中生成虚拟样机,在Matlab／Simulink中建立发动机控制模型,然后基于ADAMS／Control模块与Matlab／Simulink接口得到发动机多刚体联合仿真模型,并利用相关实车数据对其进行了验证;在ANSYS软件中生成柔性体有限元模态中性文件,导入多刚体联合仿真模型,得到刚柔耦舍的联合仿真模型。     

基于体积优化的UUV减速传动系统结构参数设计

针对某水下航行器(unmanned undersea vehicle,UUV)工作特性,运用Hertz接触理论,推导出齿轮体积与传动比之间的数学模型,并建立该传动系统的空间布局优化数学模型。采用多目标遗传算法(multi-objective geneticalgorithm,MOGA)完成空间布局方案的优化设计,在满足约束条件下,计算出此系统结构参数和齿轮空间坐标。结果表明比现有圆柱形齿轮箱的圆柱面积减少了10.6%,体积减少了8.4%。表明该方法具有很好的工程应用价值,可作为水下航行器减速器设计优化的新思路。     

自主水下航行器折叠天线设计

通过对水下机器人的主体外形以及传统水下机器人的外附体进行建模,运用CFD流体软件对其进行仿真分析,发现自主水下航行器外附体中,天线产生阻力最大.天线是自主水下航行器必不可少的通信模块.针对天线带来的大阻力问题,设计出两种折叠天线机构.运用ADAMS软件对比了两种折叠天线机构运动性能参数;运用SolidWorks的应力仿...     

高机动自主水下航行器的仿生设计研究

基于黄鳍金枪鱼的生理结构特征,以及鱼类的体干尾鳍推进模式（BCF）和中鳍对鳍推进模式（MPF）,运用仿生工程学原理,开发出高机动自主水下航行器。通过柔性鱼体机构、推进器、沉浮水舱、控制系统和航行稳定性的仿生设计,航行器在水下实验中可自主完成高速巡航和多种机动方式水下作业。建立的水下试验平台可有效应用于仿生推进模式特征参数和推进性能内在关系的研究同时为改善自主水下航行器的机动性能提供了新的设计思路。     

水下驻留航行器液压式驻留机构设计

为解决传统水下自主航行器工作时间短的局限,学术界提出了驻留航行器的概念。该文在分析了驻留航行器总体构成和工作方式的前提下,针对航行器的液压支撑式驻留机构进行了工况分析、系统设计、重要部件设计、液压元件选择、三维造型和总体组装。该机构实现了航行器长时间海底驻留的功能,对驻留航行器的工程应用发挥了重要作用。     

太阳能水下自主航行器发电系统设计

首先介绍了太阳能水下航行器光伏系统的一般结构,然后对太阳能电池阵列的设计和太阳能充电器部分做了重点研究.提出了太阳能电池阵列的设计和太阳能充电器的设计,并研究了基于变步长扰动观察法的太阳能最大功率跟踪(MPPT),描述了蓄电池的充电控制策略,给出了具体的软件实现方法.     

基于太阳能水下机器人的优化设计

基于太阳能水下机器人的设计要求,对水平翼的外形进行优化设计.水平翼既要求能可靠搭载太阳能电池板,又具有较小的航行阻力,且能在载体使用浮力驱动实现载体的滑翔运动时为载体提供足够的升力.水平翼外形优化设计主要包括:翼平面几何形状设计、翼剖面设计和翼布局设计,利用CFX软件对各种设计方案进行分析进而得出最终优化方案.     

水下航行器尾轴密封结构的研究

计算了橡胶O形圈和机械密封结构在水下航行器尾轴密封中的摩擦功率损耗。结果表明，使用机械密封的摩擦功耗比橡胶O形圈的少，采用机械密封可以提高水下航行器的航程。     

自主式水下机器人自适应区域跟踪控制

研究自主式水下机器人的区域跟踪控制问题,提出一种基于PD神经滑模的自适应区域跟踪控制方法。针对自主式水下机器人自适应控制器中仅在线调整网络权值的径向基函数神经网络存在收敛性能差的问题,给出同时对径向基函数神经网络权值、径向基函数中心与方差进行自适应调整的方法,使径向基函数神经网络无须离线选取径向基函数中心与方差,即可进行在线自适应学习。考虑到控制器中滑模控制项易引起系统抖振的问题,提出一种基于指数函数的滑模切换增益调节方法,使滑模切换增益能够依据跟踪误差实时调节以降低系统抖振。基于Lyapunov理论对所提自适应区域跟踪控制方法的稳定性进行分析。通过自主式水下机器人的仿真试验与水池试验验证所提方法的有效性。     

自治水下机器人运动控制的动力学分析

运动控制是水下机器人自治化的核心,准确的动力学分析为分析控制系统的物理学特性提供了理论依据。以葛特勒为原始母型方程,深入分析了水下机器人在水下运动中的受力情况,建立了水下机器人水下运动的一般方程,为自治水下机器人控制系统的设计和仿真提供了调试环境。     

水下机器人-机械手系统的动力学分析

随着我国海洋开发事业的发展,水下机器人操作手在水下勘探、水下采矿、海洋石油工程等领域发挥着越来越重要的作用。本文提出了一种运用指数积公式和凯恩方程对水下机器人机械手系统进行了动力学建模的新方法。采用该方法可以在同一个坐标体系中描叙系统的运动学,而且在建立动力学模型中可以避免大量的求导运算,并可以得到最少数目的微分方程。模型中考虑了海水的拖曳阻力、机器人与机械手之间的相互作用、推进器推力等因素。研究表明指数积-凯恩方法是一种建立水下机器人-机械手的一种有效方法。