基于Petri网的UUV水下回收协调控制研究

水下无人潜器（UUV）水下回收是一个复杂的过程,它既有连续动态又有离散事件。针对UUV多变量、非线性、强耦合的特点,在其回收过程中针对不同的状态,提出一种基于Petri网的协调控制方法。采用混杂系统理论来分析动态过程和设定离散事件,并运用Petri网技术对回收过程的动作细节进行划分,通过实时测量和判断,分析和监控回收状态,以达到实时控制的目的。水池试验验证了Petri网技术对复杂过程描述分析方面的优越性,并成功解决了UUV回收过程运动中的逻辑协调问题。     

水下机器人近水面横摇运动的解耦控制

水下机器人在近水面低速航行时,为了有效克服海浪干扰的作用,提高水下机器人横摇控制的性能,依据解耦控制理论和零航速减摇鳍的工作原理,在水下机器人水平面运动耦合模型的基础上运用解耦控制方法进行横摇控制.该方法将水平面运动耦合模型分解为横荡、横摇和艏摇三个子系统进行分析,根据期望性能指标配置横摇子系统模型的极点,并将均方差最小线性递推滤波算法引入到状态信号的反馈通路中.通过对各种海情下水下机器人的横摇运动姿态进行仿真,结果表明:该解耦控制方法可应用于水下机器人近水面横摇运动的控制,其控制结果良好.     

基于对线控位策略的UUV回收运动控制研究

研究了水下坞舱回收UUV (Unmanned Underwater Vehicle) 过程中的运动控制问题,详细介绍了坞舱搭载回收UUV的原理,建立了UUV回收中的数学模型。提出了一种基于对线控位策略的回收方法,通过一个双参考点的定位控制来实现UUV的回收。设计了UUV回收的位置和姿态的灰色预测PID控制器,以减小UUV回收控制中的超调量和调整时间。仿真验证结果表明了对线控位策略对于坞舱回收UUV是可行的,所设计的灰色预测PID控制器可以实现UUV回收的精确控制。     

结构不变性补偿原理在电液伺服舵机控制中的应用

针对某型电液伺服舵机负载干扰大,控制精度低的问题,应用结构不变性原理设计了一种模糊补偿器,对强干扰力进行了有效补偿.仿真实验结果表明,该方法控制精度高,鲁棒性强,提高了系统的控制性能.     

动力定位船舶模糊解耦定速航行控制算法

[目的]在海洋石油开采、湖泊水质监测等领域,为了实现船舶自主定位及自主航行,需对动力定位船舶的航速予以控制。[方法]建立船舶三自由度(3-DOF)运动模型,提出基于模糊解耦控制的船舶定速航行控制算法。针对被控对象的建模误差,分别设计纵荡、横荡和艏摇回路模糊控制器。针对横荡与艏摇回路变量之间的耦合问题,采用前馈补偿解耦环节来消除控制量之间的相互影响。[结果]定速航行控制仿真平台的实验结果表明,该模糊解耦控制算法的动态性能好、稳态精度高,且具有一定的鲁棒性。[结论]研究成果可为船舶定速航行的精确控制提供参考。     

船用波浪补偿稳定平台的稳定性研究

对于船用波浪补偿稳定平台,由于机构复杂,耦合度/非线性高,因此建立准确的动力学模型是实现补偿稳定控制的前提。论文研究的波浪补偿稳定平台以Stewart平台为主体,基于其机构的特点及运动耦合性,通过欧拉角坐标转换法,运用运动学逆解分析其运动特性,求得机构的Jacobi矩阵;采用Lagrange方程从能量的观点求出机构完整的动力学方程,得出"惯量"为主要的耦合量;运用微分几何控制法解耦,得到上平台的运动规律。通过理论仿真与试验分析,验证了所建的动力学模型的正确性,为实现波浪补偿稳定平台高精度解耦控制提供了重要的理论依据。     

风电场中静止同步补偿器的前馈解耦控制

对应用于风电场的静止同步补偿器(STATCOM)的前馈解耦控制策略进行了研究。建立了STATCOM在耦合状态下的数学模型,针对有功/无功控制通道存在耦合,不利于有功电流和无功电流的独立控制的现象,采用了基于前馈解耦的控制策略,给出了双闭环控制结构,并通过仿真与传统PI控制策略进行比较。仿真结果表明采用解耦控制策略后有功电流和无功电流可独立调节,配电网PCC点电压和STATCOM直流侧电压均能及时、有效地调整到期望值,且与传统PI控制策略相比具有超调量更小、响应速度更快、抗扰动性能更好的优点。     

UUV操纵性能综合优化模型研究

操纵性能是无人潜器（UUV）航行的重要性能之一,其优劣直接影响到UUV的航行安全和稳定性,UUV操纵性能评判和优化是UUV优化设计的重要组成部分.基于AUTOSUB型无人潜器的设计模型,在充分分析艇体操纵性能的基础上,重点研究UUV水平运动和垂直运动性能,提出了较为完备的UUV操纵性能优化数学模型.采用模糊评判方法构造操纵性系统总目标函数,利用专家咨询法确定了各子系统的权重;通过大量艇体操纵性能数据对各个性能指标进行统计分析,选择模糊数学中对应的隶属度函数进行拟合,确定相应隶属度函数参数;利用禁忌搜索算法对遗传算法的改进而得到的遗传禁忌搜索算法（GA-TS）,由并行和分层策略改进遗传算法得到的并行遗传算法（PGA）以及遗传二次载波算法（LGA）,将数学模型与这3种算法集成,利用C＋＋语言编写了UUV操纵性能优化软件.通过对总系统优化得到的遗传禁忌搜索算法寻优能力最强,利用该算法研究水平面运动和垂直面运动2个子系统,得到各个性能指标权重对系统目标函数影响程度的排序,同时分别得到-组最佳性能的权重分配.     

变论域模糊PID控制在水下输送艇控制中的应用磁

水下输送艇是一种在水下长距离运输人员的载人潜水器,具长有航程和高航速的特点,控制对象具有高度非线性、强耦合和时变性的特点,常规P ID控制器的控制效果不是十分理想。论文针对水下输送艇的研制,将变论域模糊控制和PID控制结合起来,设计了变论域模糊PID控制器,模糊论域可以根据输入输出量的变化进行伸缩,对PID参数进行更优化的在线调整。论文建立了水下输送艇的水平面和垂直面运动数学模型,介绍了变论域模糊 PID控制器的设计方法和伸缩因子的选择方法。M atlab仿真结果表明这种控制方法具有更强的自适应能力。     

基于目标规划的水下机器人模糊神经网络控制

针对水下机器人运动的精确控制问题,依据模糊逻辑和神经网络理论,提出了一种基于目标规划的模糊神经网络控制方法。根据水下机器人的运动特性构造了模糊神经网络的结构,并推导了网络权值学习的反传算法,最后以水下综合探测机器人为研究对象进行了试验研究。试验研究的结果表明,该方法结合了传统模糊控制和神经网络控制的优点,大大地提高了系统响应速度和控制精度,并且对模型的不确定性有较强的鲁棒性,能够实现水下机器人运动的精确控制,具有较高的理论和实用价值。     

AUV水下回收过程中的操纵性仿真研究

在建立自主水下航行器(简称 AUV)六自由度运动模型的基础上,基于势流理论建立了潜艇运动扰动流场对 AUV 扰动力的计算模型,并对回转体 AUV 在回收时靠近潜艇过程中的操纵性进行了仿真,仿真结果显示,AUV 在靠近潜艇的过程中,潜艇扰动流场对 AUV 深度和侧向位移有较大的影响,而对姿态角的影响较小,因此,回转体 AUV 可以稳定地完成水下的回收运动。     

带有死区补偿的欠驱动AUV深度控制

由于舵桨联合操控的水下机器人舵机传动系统死区非线性的存在,严重影响了某水下机器人的深度控制效果。文章以该水下机器人为研究对象,同时考虑了其欠驱动的运动特性及外界有界干扰和模型参数摄动,设计了具有自适应补偿功能的PID控制器,利用Lyapunov稳定性理论,证明在该控制器作用下,该控制系统是全局稳定的。最后进行了仿真实验。实验结果表明该控制器具有很好的控制效果,是行之有效的。     

高效AUV运动规划和任务时间管理的基于生物地理学的组合策略（英文）

Autonomous Underwater Vehicles(AUVs) are capable of conducting various underwater missions and marine tasks over long periods of time. In this study, a novel conflict-free motion-planning framework is introduced. This framework enhances AUV mission performance by completing the maximum number of highest priority tasks in a limited time through a large-scale waypoint cluttered operating field and ensuring safe deployment during the mission. The proposed combinatorial route-path-planner model takes advantage of the BiogeographyBased Optimization(BBO) algorithm to satisfy the objectives of both higher-and lower-level motion planners and guarantee the maximization of mission productivity for a single vehicle operation. The performance of the model is investigated under different scenarios, including cost constraints in time-varying operating fields. To demonstrate the reliability of the proposed model, the performance of each motion planner is separately assessed and statistical analysis is conducted to evaluate the total performance of the entire model. The simulation results indicate the stability of the proposed model and the feasibility of its application to real-time experiments.     

微小型潜器空间运动建模与仿真(英文)

对自主式潜器空间运动进行精确建模和仿真对研究其操纵和控制特性有重要意义,本文以开发的"MAUV-Ⅱ"微小型潜器为对象,基于动量定理和动量矩定理建立了潜器空间运动的非线性数学模型,将潜器受力分解为各个模块并表达为矩阵形式.在运动非线性数学模型的基础上,结合虚拟现实技术建立了运动仿真系统,针对所研究潜器的特点,采用S面控制方法对此"MAUV-Ⅱ"水下运动的艏向控制和深度控制进行了仿真研究,同时进行了基于目标规划的长距离航行仿真试验.仿真结果反映了潜器具有较好的空间操纵性能,也验证了控制软件的可行性和可靠性.     

AUV控制系统试验平台

随着AUV(自主式潜器)技术的不断发展,对其自主性能的要求越来越高.AUV控制系统试验平台可以实现各种自主控制、动态控制算法及软件的系统集成.文章以能够自主完成地形勘察使命的AUV为研究对象,设计了AUV控制系统试验平台,对AUV控制系统硬件系统和基于行为仲裁的分层递阶软件系统做了较全面的介绍,利用QNX操作系统的多线程和消息传递技术实现了任务协调算法.在半实物试验平台上进行的地形勘察使命仿真结果验证了控制系统试验平台硬件结构合理,算法及软件集成可实现.     

基于神经网络的无人无缆水下机器人运动建模与控制技术研究

对自主型水下机器人（ＡＵＶ）神经网络运动模型的结构进行了理论分析和探讨,提出了非完全回归型神经网络、增加积分层的输出层结构及相应的分步式学习方法。对ＡＵＶ运动过程中目标运动路径和目标运动速度的同时跟踪控制进行了系统研究。提出了由主控网络和伴随网络构成的神经网络控制器结构,给出了通过计算机模拟来生成教师样本的方法,提出了预测控制的思想。计算机仿真及水下机器人“Ｔｗｉｎ－Ｂｕｒｇｅｒ”的水池实验结果验证了本文所提出的建模方法和跟踪控制方法的有效性和可行性。     

局部回归神经网络在水下机器人运动控制中的应用

探讨了水下机器人神经网络运动模型的结构,提出了带有局部回归结构的水下机器人神经网络控制器结构及预测控制的实现方法,给出了该神经网络的教师样本生成方法及学习方法,计算机仿真与水池实验结果验证了本文提出方法的有效性和可行性。     

四元数在水下航行体运动建模中的应用

针对一类以控制力矩陀螺（CMG）为姿态控制执行机构的水下航行体,考虑到其大角度机动时姿态描述矩阵可能会出现奇异的问题,建立了与其相适应的运动模型.首先,通过引入四元数来建立运动学方程,并给出四元数与欧拉角之间的关系.随后,在建立动力学方程时,将水下航行体视为由水下航行体和CMG组成的多刚体系统,并使用四元数来代替动力学方程中的欧拉角项.最后,使用龙格库塔法对所建立的模型进行仿真.仿真结果表明,所建立的模型能有效避免使用欧拉角方法建立模型时所产生的奇异问题.     

Design and evaluation of a hierarchical control architecture for an autonomous underwater vehicle

This paper researches on a kind of control architecture for autonomous undelwater vehicle （AUV）. After describing the hybrid property of the AUV control system, we present the hierarchical AUV control architecture. The architecture is organized in three layers： mission layer, task layer and execution layer. State supervisor and task coordinator are two key modules handling discrete events, so we describe these two modules in detail. Finally, we carried out a series of tests to verify this architecture The test results show that the AUV can perform autonomous missions effectively and safely. We can conclude the control architecture is valid and practical.     

AUV均衡系统设计及垂直面运动控制研究

针对AUV传统均衡调节系统存在难以克服的缺陷而无法实用的问题,设计了一种新型液压均衡系统。该系统主要由油箱和安装在AUV轴线上的两个油囊组成,通过调节油箱和油囊的油量来调节AUV的姿态和浮态。同时在简化AUV垂直面运动模型的基础上,构建了深度控制、纵倾控制和浮态控制模型,并基于PID和均衡系统设计了深度控制、纵倾控制和浮态控制方法。仿真结果表明在无干扰和有干扰两种情况下,设计的均衡系统能有效控制AUV的垂直面运动;建立的AUV垂直面运动控制模型符合AUV运行特性;PID控制算法适合海流干扰下的AUV均衡控制,且具有良好的控制品质。