超高速水下航行器横滚控制研究

超高速水下航行器航行时由于被超空泡包裹着,使得其工况变得更为复杂,控制难度进一步加大;为了抑制或消除横滚,文章通过分析超高速水下航行器的运动特点,建立了航行器横滚运动模型方程,并进行特性分析和控制规律综合设计,最后提出使用配置控制面的方法来实现它的横滚控制;此方法的使用既为系统提供控制力又解决了系统弱阻尼的问题,同时还提高了系统的响应速度;最后运用PD算法,分析它的动态特性和幅频特性,仿真结果表明此方案简单,容易实现,且鲁棒性好,满足系统的要求。     

超高速水下航行器纵平面姿态控制研究

超高速水下航行器在水下航行时,由于大部分表面被超空泡所包覆,其纵平面的运动特性发生显著变化,使得控制难度加大.提出把空化器用作控制面,通过操纵其舵角改变量来控制航行器在纵平面的运动,从而达到间接控制航深的目的.最后运用PID算法进行仿真分析,结果表明采用此控制方法所产生的深度负偏差较小,简单易实现、且鲁捧性好.还对航行器直接深度控制进行探讨,考虑到超空泡工况下深度测量的难度较大,姿态控制具有更强的适用性.     

水下航行器智能航向滑模控制

为了实现对自主水下航行器参考航向的平滑、快速跟踪,提出了一种基于干扰观测器的航向跟踪自适应反演滑模控制算法。针对水池试验中不同程度的水流干扰,利用一种干扰观测器观测系统的不确定性和外部干扰,未观测到的部分干扰采用自适应滑模控制器进行补偿。控制器的设计消除了传统滑模控制的"抖振"现象,且保证了闭环系统的稳定性。同时该控制系统可智能选取控制策略,通过判断水流循环等外界干扰的程度,自动选取合适的控制策略,最终消除外界干扰,提高了跟踪的稳定性和快速性。仿真结果表明,该控制策略能很好地实现智能航向跟踪控制,使跟踪误差在有限时间内快速收敛到零,对外界扰动的变化具有强鲁棒性和良好的自适应性。     

水下航行器极区内航行控制关键技术

随着极区经济利益和战略意义日益凸显,水下航行器在极区作战使用的需求逐步清晰。基于极区特殊的气候条件和地理环境,指出了水下航行器在高纬度及跨极区航行时,需要重点考虑导航、控制、仿真试验等多个问题。仿真试验结果验证了基于格网导航算法的水下航行器跨极区控制和导航策略及仿真方法的可行性。     

超空泡水下航行器定深控制研究

极高的航速使得对超空泡水下航行器的控制变得异常复杂. 为了对其深度进行有效控制, 必须对其纵平面运动特性进行研究. 本文首先建立了超空泡水下航行器的纵平面运动模型, 分析了其纵平面运动特性; 然后进行了控制算法的综合; 最后, 仿真及试验结果均验证了所设计的航行器纵平面运动控制算法的有效性. 试验结果表明该控制系统具有较高的控制精度. 本文的研究成果为进一步研究水下超空泡航行器的运动控制提供了必要的理论基础.     

水下超高速航行器首舵控制系统的设计

水下超高速航行器处于巡航阶段时,由于其大部分表面被超空泡包裹,运动模式不同于常规的全沾湿航行器;为了对超高速水下航行器的定深弹道实施控制,在研究水下超高速航行器运动模型的基础上,对首舵机控制系统的控制率进行了综合,研制了一种新型的深度间接控制的电动首舵机闭环控制系统;详细介绍了功率控制单元的工作原理、硬件设计的关键技术及控制软件设计;地面考核试验证明该控制系统完全满足超高速航行器的姿态控制要求;研究结果可为水下超高速航行器控制系统的设计提供参考。     

一种新型的超空泡航行器流体动力布局

超高速水下航行器运行于巡航阶段,为减小其阻力,减小航行器的沾湿部分,会使得横滚运动的阻尼变小,加大横滚通道的控制难度.针对航行器的静稳定特性,采用艏部空化器作为俯仰和偏航运动的操纵面.由于横滚干扰力矩主要来源于航行器机动时产生的离心力,采用不对称方向舵的方式来消除横滚干扰力矩.复合抗横滚控制舵片形成方向舵的上下不平衡,同时还作为横滚控制的操纵面.采用流体动力布局形式完全摒弃了尾部安定面和操纵面,明显减小航行器航行阻力,降低横滚控制舵机的功率要求,有利于机构的小型化.同时放宽了对超空泡外形和人工通气量的准确度要求,方便了超高速水下航行器的工程实现.     

基于PC104的超高速水下航行器测控程序设计与实现

超高速水下航行器自主航行试验需要雷载计算机提供时序控制、姿态自动控制等支持,在恶劣水下环境中测控系统的可靠性至关重要,它影响着实航数据的获取和航行控制研究的开展.以PC104嵌入式计算机为硬件平台,标准C语言为开发工具,针对超高速水下航行器航行控制和数据测量需求开发了测控程序.通过电平I/O进行时序及航行姿态控制,串口...     

水下机器人主动对接装置的协调控制研究

水下机器人主动对接装置在对接裙外侧安装有4只两自由度对接机械手,其主要功能是在恶劣的海洋环境中能实现水下机器人与失事潜艇的准确对接,完成救生任务．为了实现自主作业,根据作业特点提出了将水下机器人与对接机械手的作业过程抽象成自动机模型的方法,应用离散事件系统理论实现4只机械手与水下机器人的协调控制．在此基础上,进一步介绍了赋时离散事件系统理论,并应用于水下机器人主动对接装置的协调控制中,解决了系统的时间性问题,使之成为切实可行的控制方法．     

水下自航器航迹控制系统仿真研究

该文提出了一种带优化修正函数的非线性ＰＩＤ控制器设计方法,用它设计 控制器能对复杂非线性对象进行简单而有效的控制。用它为某型自抗器设计的航迹控制器在不同入水条件下进行了仿真研究。仿真结果表明,用带优化修正函数的非线性ＰＩＤ控制器设计方法设计的自航器航迹控制系统,在不同入水条件下都具有良好的动、静态特性。说明非线性ＰＩＤ控制方案较好地解决了空投入水自航器的航迹控制问题。     

基于滑模理论的水下机器人定深控制算法研究

水下机器人操控性能指标中对定深控制性能有较高要求,而水下机器人的运动具有强的非线性和耦合性,使得不同航速下的定深控制成为难点;建立了水下航行器的运动学模型,基于滑模理论设计了深度控制器和纵倾控制器,在MATLAB SIMULINK环境下搭建了深度控制仿真系统,数值仿真结果表明:滑模变结构控制器对于不同航行条件具有较强的适应性,同时深度的控制效果明显优于PID控制器。     

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...     

水下航行器网络控制系统仿真

传统控制系统的设计方法中忽略了通信网络中的时延和数据包丢失等问题,仅通过传统方法设计的控制器来降低其对控制系统产生的不利影响,严重影响了系统的稳定性;对于水下航行器等对系统性能要求较高的水下控制平台,突破传统使其在网络环境下能够稳定运行显得尤为重要;在此背景下,提出了网络控制系统的设计方案,以水下航行器为控制平台,进行系统建模,设计反馈控制器,使用MATLAB仿真工具TrueTime,研究分析了网络体系结构下时延和丢包对传统控制系统动静态性能的影响;仿真结果表明该设计方法优化了系统性能,为系统在发生网络诱导时延和数据包丢失时能够稳定运行,提供了可靠的参考依据;该设计结果具有普适性,也可以用于导弹、坦克等航行器。     

基于CAN总线的自治水下机器人控制系统

将CAN总线应用在自治水下机器人中,构成多主站的分布式控制系统,取代了以往水下机器人采用的集中式控制结构及主从式网络结构．从硬件和软件两方面详细介绍了CAN总线在自治水下机器人中的应用方案,设计了基于P87C591单片机的CAN总线控制器,并针对水下机器人分布式控制系统的需求特点,设计了CAN应用层协议和相应的通信软件．最后通过湖试验证了控制系统的可行性和可靠性．     

基于CAN总线的自主水下航行器分布式控制系统设计

提出一种基于CAN总线的分布式控制系统设计方案,该总线主要搭载任务控制系统、导航控制系统、运动控制系统、安保系统四个节点。将自主水下航行器的功能分布到不同的控制节点,具有较好的体系结构,且便于维护与升级。不同于集中式控制系统,当系统内需增加其他功能模块时,无需修改硬件部分可直接接入控制系统,便于控制具有很好的实时性与可扩展性。最后通过湖试结果显示,自主水下航行器航行稳定,分布式控制系统运行良好,验证了该设计的可靠性与有效性。     

Optimal Kinematic Control of an Autonomous Underwater Vehicle

This note investigates the motion control of an autonomous underwater vehicle (AUV). The AUV is modeled as a nonholonomic system as any lateral motion of a conventional, slender AUV is quickly damped out. The problem is formulated as an optimal kinematic control problem on the Euclidean Group of Motions $SE(3)$ , where the cost function to be minimized is equal to the integral of a quadratic function of the velocity components. An application of the Maximum Principle to this optimal control problem yields the appropriate Hamiltonian and the corresponding vector fields give the necessary conditions for optimality. For a special case of the cost function, the necessary conditions for optimality can be characterized more easily and we proceed to investigate its solutions. Finally, it is shown that a particular set of optimal motions trace helical paths. Throughout this note we highlight a particular case where the quadratic cost function is weighted in such a way that it equates to the Lagrangian (kinetic energy) of the AUV. For this case, the regular extremal curves are constrained to equate to the AUV's components of momentum and the resulting vector fields are the d'Alembert-Lagrange equations in Hamiltonian form.      

水下机器人三维可视化控制系统

研究水下机器人可视化系统问题,由于海洋作业情况复杂,存在弱观测、大时滞环境中机器人的稳定性和实时性差,控制显得尤为困难。针对目前可视化系统开发难度大、周期长的缺点,提出了一种WPF技术的三维可视化系统的设计方案,包括3DSMAX几何建模,Expression Blend 2三维可视化实现和Visual Studio 2008控制代码设计。结果表明,采用改进的泛化图形环境的方法为水下机器人可视化系统的实现提供了一种高效、简易的途径。经水池实验证明,系统能够对水下机器人进行实时可视化显示并完成操控任务。