基于自适应神经网络的低速AUV变质心控制

为克服低速情况下舵效低的问题,研究了自治水下航行器(AUV)的变质心控制方法.通过控制布置在AUV三个惯性主轴上的三个可移动质量块的运动,改变系统的质心,进一步改变了AUV受到的流体动力,从而实现对于AUV的控制.基于Kane的多刚体动力学理论推导变质心控制AUV的4刚体9自由度动力学模型,为设计AUV变质心控制系统奠定了基础.之后基于多输入多输出(MIMO)不确定非线性系统理论,设计自适应神经网络控制系统,并用李亚普诺夫稳定理论对该系统进行了稳定性分析.仿真验证了控制方法的合理性.     

飞行视景仿真系统研究与实现

针对视景仿真系统开发费用大、周期长的缺陷,提出了一种利用开源的Irrlicht图形渲染引擎的开发方法.首先,基于飞机六自由度运动模型,提出了Irrlicht环境中飞行运动数学表示和C++语言描述方法;通过对Irrlicht的二次开发,构建了交互式飞行视景仿真系统的模块化功能结构,仿真了一个逼真的飞行三维视景.基于以上设计,通过键盘输入命令来改变飞行状态,从而驱动Irrlicht图形渲染引擎,最终实现了飞机运动的交互式飞行视景仿真系统.通过试验可以证明,飞行视景仿真系统具有良好的交互性和实时性,可扩展性强,开发周期短,系统建设简单,使用方便等优点.     

运载火箭六自由度仿真平台搭建与应用

研究运载火箭六自由度仿真系统设计问题,在传统火箭六自由度仿真平台设计中常以特定任务为导向,造成仿真系统碎片化严重,扩展重用性不足.同时,数值仿真与视景仿真的交互中存在实时驱动的问题.针对上述问题,采用面向对象的模块化设计方法,建立了运载火箭六自由度仿真模型,给出了三层结构的通用仿真框架.设计了仿真消息管理器,较好地解决了数值仿真与视景仿真的集成并保证了系统的实时性.仿真结果验证了模型建立的准确性以及仿真平台的可靠性和稳定性.仿真结果对于运载火箭设计和性能评估系统的建立有着良好的借鉴意义.     

基于Simulink的高空空投AUV全弹道仿真系统研究

高空空投AUV（Autonomous Underwater Vehicle,自主水下航行器）是一种基于“高空反潜武器概念”而设计的基高空滑翔与水下自主航行于一体的新型水下航行器,对其全弹道的仿真是其概念设计阶段的重要内容和理论基础。根据高空空投AUV弹道各稳态阶段的运动与环境特点,分别搭建了滑翔、减速与水下阶段六/九自由度仿真模型。仿真了空投AUV在翼面组件升力作用下的自由滑翔弹道和在圆形降落组件作用下的减速弹道。设计了AUV水下偏航与深度控制器,并进行了水下闭环控制仿真,验证了AUV深度与偏航控制下沿指定轨迹航行。仿真结果表明,仿真系统能准确快速地仿真出AUV各运动阶段的弹道、位姿、速度与加速度信息,适用于全弹道组件设计、特性分析与控制器设计与验证。     

基于准最大最小模型预测控制的AUV视觉对接

针对六自由度自主式水下机器人(autonomous underwater vehicle, AUV)视觉对接这一重要课题,提出一种基于融合深度信息的改进准最大最小模型预测控制(quasi-min-max model predictive control, QMM-MPC)方法,有效提高复杂水下视觉伺服对接系统性能.首先,针对水下AUV视觉由于能见度低导致深度信息存在不确定性的影响,建立新的六自由度AUV视觉伺服模型;然后,结合AUV运动和图像特征运动的测量数据,设计在线深度估计器,同时提出结合多李雅普诺夫函数的QMM-MPC算法,通过求取凸多面体中各顶点不同上界值,降低传统QMM-MPC算法中单李雅普诺夫函数上界所带来的强保守性;最后,通过仿真验证所提出方法的有效性和优越性.     

自治水下机器人全自由度仿真

由于自治水下机器人的复杂性，系统仿真技术变得越来越重要，系统地分析了自治水下机器人（AUV，Autonomous UnderwaterVehicle)的运动模型和空间运动方程，运用MATAB下的SIMULINK，设计了自治水下机器人的全自由度仿真工具箱，包括机器人本体运动，位姿求解和坐标系统转换等多个部分，可以方便地进行控制方法的全自由度的仿真。     

虚拟现实在AUV运动控制研究中的应用

基于软件平台Vega和Creator开发出AUV循迹航行的视景仿真系统。研究了虚拟现实技术和AUV循迹控制相结合的技术，文中详细描述了其硬件系统的组成、系统软件的选择、模型的建立、虚拟海洋环境的生成，以及应用软件的设计与实现。仿真结果表明，该系统能逼真的演示出AUV循迹航行的全过程，并能满足不同情况下的仿真需要。     

基于六自由度模型的飞机刹车仿真研究

针对飞机着陆刹车三自由度仿真模型存在的不足,研究了六自由度飞机对象建模的基本方法和原理,并给出了飞机机体的空间运动方程.考虑了飞机纵横向之间的耦合作用和决定飞机刹车性能的因素,没有对刚体运动模型做简化处理,直接根据牛顿第二定律推导出机体全量非线性方程,结合飞机起落架的纵横向刚度模型和传统液压刹车系统模型.建立了六自由度飞机刹车系统整体模型,并且基于maflab/simulink对其数学模型进行了转化,建立了可在计算机上实现的数学仿真模型,给出了湿跑道下仿真结果.结果表明,所建立的六自由度飞机刹车系统模型能够充分表征飞机着陆刹车的实际运行特性,为飞机刹车性能的改善和视景系统更多参数的体现提供了基础和前提.     

鲁棒H∞滤波器在AUV航向控制中的应用仿真

研究设计了一个鲁棒H∞滤波器来解决自治水下机器人（AUV）航向控制系统中部分难以测量状态变量的估计问题，并将其应用在AUV的航向控制系统中．建立了自治水下机器人在体坐标系下水平面运动的运动方程，并在特定的工作点对方程进行了线性化处理，得到了自治水下机器人的控制设计模型．基于线性矩阵不等式（LMI）方法对AUV航向控制系统设计了一个鲁棒H∞滤波器,并对该滤波器应用于AUV航向控制系统进行了仿真试验．仿真结果表明，该鲁棒H∞滤波器能够较好地抑制测量噪声的影响，较准确地估计出系统的状态变量，能够提高AUV航向控制系统的控制品质．     

鲁棒H∞滤波器在AUV航向控制中的应用仿真

研究设计了一个鲁棒H^∞滤波器来解决自治水下机器人（AUV）航向控制系统中部分难以测量状态变量的估计问题，并将其应用在AUV的航向控制系统中．建立了自治水下机器人在体坐标系下水平面运动的运动方程，并在特定的工作点对方程进行了线性化处理，得到了自治水下机器人的控制设计模型．基于线性矩阵不等式（LMI）方法对AUV航向控制系统设计了一个鲁棒H^∞滤波器，并对该滤波器应用于AUV航向控制系统进行了仿真试验．仿真结果表明，该鲁棒H^∞滤波器能够较好地抑制测量噪声的影响，较准确地估计出系统的状态变量，能够提高AUV航向控制系统的控制品质．     

自主水下航行器安全抛载系统设计

自主水下航行器(AUV)在海洋资源勘探与开发中发挥着重要作用,安全性作为其研究的重要内容与关键技术,关乎着水下任务能否顺利完成并安全返回;为进一步加强AUV在水下应对故障及危险的处理能力,依托实体AUV,设计一套安全抛载系统;该系统基于ARM Cortex—M4处理器,搭建抛载电路,使其不仅能够响应程序预先设定的抛载指令,还能根据一些突发或紧急情况,自动触发抛载动作,如:系统掉电、死机或漏水等;最后通过岸上模拟实验与真实水下实验,测得对10 kg抛载块进行抛载测试的准确执行率达100％,且抛载系统功耗为2.8 W;此外,对抛载系统进行了耐压测试,压力测量装置显示,在10 MPa压力范围内,该系统仍能正常可靠工作,其耐压性得到有效验证,符合总体设计要求.     

洋流影响下基于运动矢径的AUV协同定位方法

针对水下自主航行器（AUV）协同定位受水下未知定常洋流影响的问题,给出一种洋流影响下基于运动矢径的AUV协同定位方法.利用AUV的运动学方程和基于运动矢径的量测方程,建立AUV的导航模型;通过扩展的卡尔曼滤波,设计了协同定位滤波算法;利用该算法对洋流速度进行估计,以补偿AUV定位误差.仿真结果表明,该算法能有效估计未知定常洋流速度的大小,并对AUV定位误差进行实时补偿,显著提高了AUV的定位精度.     

自治水下机器人避碰算法及其仿真研究

为了提高水下机器人(AUV)在复杂海洋环境下的自适应性,文章对传统的避碰方法进行了改进.对AUV的禁入区和潜在碰撞区进行了安全性分析.建立了前视声纳模型以及三维水下规划空间模型.提出了基于强化学习、BP神经网络及人工势场相结合的避碰算法.在AUV与环境的试错交互中,借助于来自成功和失败经验的奖励和惩罚值,不断改进水下机器人的自治能力.设计了AUV深度行为模糊协调器, 对潜深行为和距底高度行为进行协调融合.开发了AUV运动规划与仿真的半实物软件系统,仿真试验证明了算法的合理性与可行性.研究对于提高AUV的自主性和安全性具有重要的应用价值.     

基于自适应阈值与扩张状态滑模观测器的AUV执行机构故障检测与估计

作为自主式水下机器人(AUV)的重要组成部分,执行机构的可靠性对系统的安全运行具有重要意义.本文以AUV六自由度模型为基础,提出了一种基于自适应阈值与扩张状态滑模观测器相结合的故障检测与估计机制.首先,本文将模型中除去控制输入的部分扩张成新的系统状态,得到估计值和实际值之间的残差;其次,针对执行机构的未知扰动,文章设计了一种改进的自适应阈值以监测残差的变化,进一步降低了误诊率与漏诊率;随后,文章在扩张状态的结构基础上设计滑模观测器,将观测器的增益求解转化为线性矩阵不等式(LMI)约束优化问题;最后,通过动态滑模面的设计实现了抖振的抑制并论证了该动态滑模面的收敛性,同时引入等效控制输出误差注入原理,实现了AUV执行机构的故障重构.仿真结果表明,本文所提方法对AUV执行机构的故障具有较好的检测灵敏度和估计精度.     

Vehicle-manipulator system dynamic modeling and control for underwater autonomous manipulation

Underwater autonomous manipulation is a challenging task, which not only includes a complicated multibody dynamic and hydrodynamic process, but also involves the limited observation environment. This study systematically investigates the dynamic modeling and control of the underwater vehicle-manipulator multibody system. The dynamic model of underwater vehicle-manipulator system has been established on the basis of the Newton–Euler recursive algorithm. On the basis of dynamic analysis, a motion planning optimization algorithm has been designed in order to realize the coordinate motions between AUV and manipulator through reducing the restoring forces and saving the electric power. On the other hand, a disturbance force observer including the coupling and restoring forces has been designed. An observer-based dynamic control scheme has been established in combination with kinematic and dynamic controller. Furthermore, from the simulations, although the disturbance forces such as restoring and coupling forces are time varying and great, the observer-based dynamic coordinate controller can maintain the AUV attitude stable during the manipulator swing and pitch motions. During the precise manipulation simulation, the stable AUV attitude and minimization of disturbance forces have been realized through combination of optimal motion planning and the observer-based dynamic coordinate controller.     

舵桨联合操纵水下机器人运动控制研究

水下机器人空间运动具有耦合性和非线性等特点,具有良好品质的运动控制器是水下机器人完成各种作业的前提.针对某舵桨联合操纵小型自主式水下机器人运动控制问题进行了研究.对速度,深度和艏向控制系统进行了介绍,根据控制需求,建立了水下机器人动力学模型,对执行机构进行了描述,设计了水下机器人滑模控制方案,采用变速趋近项代替一般指数...     

基于能源消耗最小的自治水下机器人机械手系统协调运动研究

描述了自治水下机器人搭载的三功能水下电动机械手的设计．鉴于自治水下机器人—机械手系统是运动学冗余的且自带能源，因此将系统阻力优化函数引入逆运动学求解，设计了基于系统能源消耗最小的系统协调运动规划算法．仿真表明，该算法在解决系统冗余度的同时，有效地减小了系统能源消耗．