水下潜器运动控制与仿真研究
深海无人潜水器的控制系统设计研究
深海无人潜水器的控制系统设计研究深海无人潜水器是一种能够在深海环境下进行各种研究工作的机器人设备，它可以执行深海探测、勘察、科学研究和海底资源开发等任务。
与传统有人潜水相比，深海无人潜水器无需搭载人员，具有安全性高、成本低、操作灵活等优点，因此在深海领域有着广泛的应用前景。
其中，深海无人潜水器的控制系统是该设备顺利完成任务的关键之一。
一、深海无人潜水器的系统构成及工作原理深海无人潜水器主要由机械部分、电子控制系统和传感器组成。
其中，机械部分主要包括外壳、动力系统、驱动装置等，用于维持潜水器在水下的稳定性和运动能力；电子控制系统则负责管理和调度各个机械部件，进行指令的传递和数据的处理；传感器则通过测量潜水器周围的水温、水压、水质等参数，从而提供了深海环境下的各种资料。
深海无人潜水器在执行任务时，需要通过指令给予其运动方向和运动速度等信息，并在出现错误或异常情况时通过控制系统实现自我修复和自我保护。
因此，深海无人潜水器的控制系统的设计和研究至关重要。
二、深海无人潜水器的控制系统设计思路深海无人潜水器的控制系统设计思路需要满足以下几点要求：1.稳定性要求高：由于深海环境存在水流、水压、水温等多种不稳定因素，因此深海无人潜水器的控制系统需要具备较高的稳定性。
这要求在控制系统的设计和实现中必须采用合理的技术手段和控制算法，从而保证其能够在复杂的环境下稳定工作。
2.通信延迟较大：深海环境下的通信延迟往往较大，这将对控制系统的响应能力和实时性带来很大的挑战。
因此，设计团队需要在控制系统的架构和通信协议方面进行充分考虑，确保控制指令的及时性和准确性。
3.自主性要求高：深海环境下的无线信号接收能力较弱，这将导致深海无人潜水器的自主性需求较高。
因此，控制系统需要采用合适的自主水平判断算法和控制策略，从而实现深海无人潜水器的自主操作和自我保护。
三、深海无人潜水器的控制系统设计方案在满足以上设计思路的前提下，下面是深海无人潜水器的控制系统设计方案：1.电子控制系统硬件设计：采用高性能的嵌入式微处理器，通过一系列模块化的控制模块进行控制，以实现深海无人潜水器对运动系统、环境系统、传感器系统等的控制。
潜艇低速运动时操纵控制仿真
潜艇低速运动时操纵控制仿真本文将介绍潜艇低速运动时操纵控制的仿真过程。
在该过程中，我们将研究如何通过控制舵面和推进器来实现潜艇的前进、上浮和下潜等基本行动。
为了方便模拟，我们将潜艇简化为一个刚体，同时忽略一些复杂的因素，如水流、湍流和外界干扰等。
首先，我们需要确定潜艇的动力学模型。
在低速运动时，潜艇的运动可以由以下公式来描述：$M\ddot{x}=T_{T}+T_{\delta r}$$I_{zz}\ddot{\psi}=L_{\delta r}$其中，$M$是船体质量，$\ddot{x}$和$\ddot{\psi}$分别是潜艇的加速度和角加速度，$T_{T}$和$T_{\delta r}$是推进器和舵面的推力，$L_{\delta r}$是舵面的力矩。
$I_{zz}$是潜艇的转动惯量。
基于上述动力学模型，我们可以使用Matlab/Simulink来进行仿真。
首先，我们需要编写一个控制系统，并将其与仿真模型相连。
然后，我们可以使用不同的控制输入来测试潜艇的不同运动，如前进、上浮和下潜等。
在仿真过程中，我们采用PID控制器来控制舵面和推进器。
具体地，我们设置三个控制通道分别控制舵面的俯仰、偏航和推进器的推力。
对于每个通道，我们使用PID控制器来计算控制量，并将其输入到对应的执行器中。
此外，我们还需要引入一些传感器，如加速度计、陀螺仪和压力传感器等，以便实时监测潜艇的运动和环境参数。
在实际运行中，我们可以通过手动或自动方式来控制潜艇的运动。
手动控制需要操纵员实时调整各个控制通道的值，以便实现所需的运动。
而自动控制则可以根据预设的控制逻辑来自动调整各个控制通道的值，以便实现特定的任务，如搜寻目标、执行任务等。
总之，潜艇低速运动时的操纵控制仿真是一项复杂而有挑战性的任务。
通过上述仿真过程，我们可以更好地理解潜艇的运动学和动力学模型，并研究不同控制策略的优缺点。
同时，我们还可以优化控制系统，提高潜艇的灵活性、稳定性和精度等指标，以便更好地应对不同的任务需求。
面向海底环境的深水潜器控制系统研究
面向海底环境的深水潜器控制系统研究随着现代科技的不断发展，越来越多的工业和科研项目需要在深海中进行。
在这种情况下，深水潜器控制系统变得越来越重要。
它们能够探索深海的海底地形和生态环境，也能够对海底油气资源进行勘探和开发。
本文将探讨面向海底环境的深水潜器控制系统研究。
一. 潜水器的运动控制系统深水潜器的运动控制系统是实现各种操作和任务的核心。
它包括推进器控制、远程控制、姿态控制、感知数据采集和传输系统等。
这些系统的设计需要考虑到潜水器的航行速度、燃料消耗和环境适应性等因素。
1. 推进器控制推进器控制是深水潜器运动控制系统中最基本也是最重要的一环。
推进器能够产生均匀的推进力，从而使潜水器保持稳定的速度和方向。
同时，推进器还能够帮助潜水器实现上升和下降，以及左右转向等操作。
推进器控制系统的设计需要考虑各种复杂的海底环境因素，并确保推进器能够始终工作在高效和可靠的状态下。
2. 远程控制深水潜器的远程控制系统是整个运动控制系统的核心。
它能够通过遥控器或者计算机程序实现远程控制和监控。
远程控制系统的设计需要考虑到海水中信号传输的问题，确保远程控制的稳定性和可靠性。
3. 姿态控制姿态控制是指深水潜器在不同深度和不同速度下，保持稳定的姿态和浮力。
姿态控制系统通常包括液压系统、气压系统和电动系统等。
它们能够帮助潜水器实现上升和下降的操作，并确保潜水器保持稳定的速度和方向。
4. 感知数据采集和传输系统深水潜器的感知数据采集和传输系统是运动控制系统中非常重要的一环。
它能够从周围环境中采集各种数据，并将这些数据传输回地面控制系统进行分析。
这些感知数据包括水温、水压、水深、流体力学等数据。
深水潜器的控制系统需要能够实时获取这些感知数据，并作出相应的控制决策。
二. 潜水器的能源与数据传输系统深水潜器在海底环境中需要具备独立的能源供应和数据传输系统。
能源供应系统通常包括发电机和电池，并需要考虑到潜水器的能源消耗和环境适应性等问题。
基于模糊理论的水下航行器运动控制及仿真研究
基于模糊理论的水下航行器运动控制及仿真研究随着科技的不断进步，水下航行器的运动控制和仿真研究也日趋重要。
而基于模糊理论的控制方法因其可适应环境变化和非线性问题的优势，逐渐成为控制领域的热门研究方向。
在水下航行器运动控制中，模糊控制可以灵活地应对复杂的水下环境和非线性系统。
通过设定合理的模糊规则和控制策略，可以实现水下航行器的精确控制和稳定运动。
首先，需要建立水下航行器的运动控制系统，包括传感器、执行机构和控制器。
传感器用于实时检测航行器的姿态和速度信息，执行机构则负责控制航行器的运动方向和速度，控制器则根据传感器反馈的信息进行运算并输出控制信号。
接着，需要设计模糊规则库和控制器，将传感器反馈的信息转化为语言形式，进而进行模糊推理和控制。
在模糊规则库中，根据水下航行器的运动特性和环境因素，设置合理的模糊规则，如“如果航行器速度过慢，则增大推力”，“如果航行器朝向偏离目标，则调整航向”，这些规则可以以自然语言的方式描述，并与控制目标相匹配。
然后，通过模糊推理和控制计算出最终的控制信号，使水下航行器能够实现精确的运动控制和稳定的运动轨迹。
最后，进行水下航行器的运动仿真，验证模糊控制的效果和性能。
使用MATLAB等仿真软件，模拟水下航行器在不同的环境条件下的运动状态和控制过程，并记录控制器的输出信号和航行器的运动轨迹，以评估控制器的控制性能和鲁棒性。
仿真结果表明，基于模糊理论的水下航行器运动控制具有高精度、高鲁棒性和适应性，能够快速调整姿态和速度，并实现更为稳定的运行。
综上所述，基于模糊理论的水下航行器运动控制及仿真研究具有广泛的应用前景和研究价值。
在未来，随着模糊控制的不断改进和完善，水下航行器的运动控制和自主导航将越来越受到关注，为深海勘探、海洋保护等领域的应用提供更为可靠的技术支持。
在这个信息时代，数据分析已经成为了企业和组织管理的基础工具。
通过对海量数据的收集、整理和分析，可以为企业和组织提供重要的参考和决策支持。
潜艇水下悬停运动控制仿真研究
Ａｂｓｒ ｃ ：Ｉ ｒ ｅ ｏ ｉｌ ｓｒ ｔ ｈ ｒｎ ｉ ｌ ｏ ｏ ｔｏ ｙ ｔｍ ｏ ｎ ｅｗａｅ ｏ ｅ ｎ ｕ ｍａ ｉ ｅ ａ ｄ ｔ ａ ｔ ｎ ｏ ｄ ｒ ｔ ｌｕ ｔａ ｅ ｔ ｅ ｐ ｉ ｃｐ ｅ ｆｃ ｎｒ ｌ ｓ ｓｅ ｆ ｒｕ ｄ ｒ ｔ ｒｈ ｖ ｒ ｇ ｓ ｂ ｒｎ ｎ ｉ
ｐｅｅｔ ｈ ｏ ｔ ａ ｂ ｓ ｒｔ ｎｉｅｒ ｇｄｓ ｎ ｔｅｍ ｊｒｃｕｅ ｆｕ ｓ ｂｅｈ ｖｒ ｇ ｉ ｄｐｈ ｒｓｎ ａｔｅｒ ｉ ｌ ａｉ ｆ ｅｅ ｇ ｅｉ ｅｉ ， ｈ ａ ａ ｓｓｏ ｎｔ ｌ ｏｅｉ ｅｔ ｅｃ ｓ ｏ ｈ ｎ ｎ ｇ ｏ ａ ｎ ｎ
，
２ Ｃｏ ｌｇ ｆＮａ ａ ｃ ｉ ｃｕ ｅ ａ ｄ Ｐ ｗｅ ，Ｎａ ａ ｉｅ ｓｔ ｆＥｎ ｉｅ ｒｎ ｌ ｅ ｏ ｖ ｌＡｒ ｈ ｔ ｔ ｒ ｎ ｏ ｒ ｅ ｅ ｖ ｌＵｎ ｖ ｒ ｉ ｏ ｇｎ ｅｉ ｇ，Ｗ ｕ ａ ３ ０ ３，Ｃｈ ｎ ｙ ｈ ｎ４ ０ ３ ｉａ
仿 真 结 果 表 明 ， 手 动 控 制 潜 艇 悬停 相 比 ， 与 自动控 制 潜 艇 悬 停 能 更 好 地 控 制潜 艇 深 度
关 键 词 ： 艇 ； 下 悬 停 ：数学 模 型 ： 值 仿 真 潜 水 数 中图 分 类 号 ： ６ １ Ｕ ６． ３ 文 献 标 志 码 ： Ａ 文 章编 号 ： ６ ３ １ ５（ ０ ０） ２—１ ｏ １ ７ —３ ８ ２ １ Ｏ ８一 ４
Ｋｅ ｒ ｓ：ｓ ｂ ｒｎ ｙ ｗｏ ｄ ｕ ｍａ ｅ；ｕ ｄ ｒ ａｅ ｏ ｅ ｉ ｇ；ｍａｈｅ ｔ ａ ｄ ｌ ｕ ｒｃ ｌｓｍｕ ａｉｎ ｉ ｎｅ ｗ ｔｒｈ ｖ ｒｎ ｔ ｍａｉ ｌｍｏ ｅ ；ｎ ｍｅ ｉａ ｉ ｌｔ ｃ ｏ
１ 引
言
统 ． 称 为 水 下 悬 停 深 度 控 制 系 统 艇 水 下 悬 停 或 潜
潜水器智能控制与作业系统的研究
潜水器智能控制与作业系统的研究潜水器是一种能够在水下进行探测、勘察和作业的设备。
由于其能够适应海底环境，对于水下的勘探和研究有着重要的作用。
传统的潜水器系统一般由控制系统、动力系统、传感器系统和执行机构等部分组成。
然而，这些部分的设计和控制一般没有结合起来进行，不能够有效地优化其性能和操作效率。
目前，智能控制技术的发展也为潜水器的研究和应用带来了新的机遇。
潜水器的智能控制和作业系统的研究愈发显得重要和紧迫。
一、潜水器智能控制的发展近年来，潜水器智能控制技术取得了重大进展。
其技术原则是利用先进的人工智能技术，对于潜水器进行智能化的控制和管理，进一步提高其运行的效率和准确性。
智能控制技术的应用为潜水器的探测、勘察和作业等开展了更加复杂的任务，也大大增强了潜水器系统的适应能力。
目前潜水器智能控制方面的研究主要包括以下方面：1.图像识别技术潜水器在水下探测任务中常常需要对水下环境进行拍摄和测绘。
而图像识别技术可以对于图像内部的水下环境进行分类和识别，为后续探测和勘察提供重要的信息。
此外，基于图像的检测技术也能够帮助潜水器进行目标检测和跟踪，提高了其在水下探测任务中的精度和效率。
2.自主导航技术潜水器的自主导航是智能控制方面的重要研究领域。
自主导航可以帮助潜水器在水下环境中实现智能化的控制，从而更好地适应不同的水下作业任务。
此外，自主导航技术也可以帮助潜水器避免水下障碍物，提高其运行的安全性。
3.目标搜索和追踪技术在进行水下任务的过程中，潜水器常常需要对于水下的目标进行搜索和追踪。
目标搜索和追踪技术可以利用传感器信息，实现潜水器对于水下目标的快速定位和跟踪，提高了潜水器水下探测的精度和效率。
二、潜水器作业系统的研究潜水器作业系统主要是指潜水器在水下进行勘察、探测和作业的全部过程。
近年来，潜水器作业系统的研究取得了重大进展。
潜水器在水下的作业效率和精度直接影响着勘探和研究的结果。
因此，潜水器作业系统的研究和优化愈发显得重要和紧迫。
水下潜器运动控制与仿真研究
Iyx p + Iyy ・ q + Iyz・ r + ( Ixx p + Ixy q + Ixz r) r - ( Izx p +
・ Izy q + Izz r) p +m [zG (・ u +wq - vr) - xG (w + vp2uq) ] =
・
m [ v - w p + u r - yG ( r + p ) + zG ( qr - ・ p) +
摘 要: 水下潜器是一种非常重要的海洋开发装置 ,具有强耦合 、 非线性等特点 。主要讨论水下无人潜器的自
主定深和定位控制技术 。文中根据潜器的 6自由度运动方程 ,在充分考虑了水动力因素的基础上 ,使用 Quasi2 Lagrange 方程建立潜器的数学模型 ,并将其分解为一系列相互关联的子系统 。采用滑模控制方法用于潜器的定深控制 ,并对其他 方向运动进行定位控制 。滑模因控制算法简单 、 鲁棒性好 、 可靠性高 ,并且不需要系统整体模型 ,被广泛应用于运动控制 和非线性系统的控制中 。通过计算机仿真 ,验证了该控制算法对水下潜器的运动控制效果良好 、 准确 。
2 2
1 2
第 31 卷
] +
一类特殊的非线性控制 , 具有快速响应 、 对参数变化 及扰动不灵敏 、 无需系统在线辨识 、 物理实现简单等 优点 ,适用于线性与非线性系统 、 连续与离散系统 、 确 定性与不确定性系统 、 集中参数与分布参数系统 、 集 [ 10 ] 中控制与分散控制等 。
ρ 2 L [ Yv ′ w vw + 2 2 θsin φ (2) Y′ ; δr u δ r ] + Ty + ( P - B ) co s 垂向力方程 :
无人潜水器的设计与控制方法研究
无人潜水器的设计与控制方法研究近年来，随着科技的不断发展，无人潜水器作为现代海洋科研和勘察的重要工具，受到了越来越多的关注。
本文将探讨无人潜水器的设计和控制方法，并探索其在海洋科学和其他领域的应用。
一、无人潜水器的设计无人潜水器的设计是实现其功能和性能的关键。
在设计中，需要考虑多个方面的因素，如结构、材料、机械装置、能源供应等等。
首先，设计人员需要确定无人潜水器的形态和尺寸，根据任务需求选择合适的设计方案，例如球形、圆筒形或人鱼形等。
其次，材料的选择和机械装置的设计也至关重要。
由于潜水器工作环境的特殊性，耐高压、耐腐蚀、高强度和轻量化的要求都需要考虑。
同时，潜水器的能源供应系统也需要满足电力需求，如锂电池和燃料电池等。
在无人潜水器的设计中，还有一个重要的考虑因素是机动性和操控性。
无人潜水器需要能够自主进行水下探测和操纵，在不同的水层中自如地运动。
因此，设计人员需要考虑舵机、推进器、稳定器等机械设备的布置和控制方式，以实现良好的操控性和机动性。
二、无人潜水器的控制方法无人潜水器的控制方法通常分为两种：有线控制和无线控制。
有线控制是最传统的方式，通过联结潜水器与地面操作站的电缆进行控制和数据传输。
然而，这种方式的控制范围受限制，无法进行长距离的控制和作业。
因此，无人潜水器的无线控制技术得到了广泛的研究和应用。
在无线控制中，使用声纳和无线电通信技术作为主要手段。
声纳通信是一种广泛应用的方式，通过潜水器上的声纳装置发送和接收声波信号，与地面操作站进行通信。
这种方式具有较长的控制距离，但受水下环境的影响较大，如水质、水深等因素都会对声波传播产生影响。
另一种无线控制的方式是通过无线电通信实现。
潜水器上配备无线电设备，与地面操作站进行无线通信。
这种方式的优势在于距离远、传输速度快、抗干扰能力强。
然而，无线电的使用需要在国家和地区的法律法规范围内进行，并遵循电磁频谱的管理原则。
除了控制方法之外，无人潜水器的自主控制技术也得到了广泛研究。
潜水器运动控制关键技术的研究的开题报告
潜水器运动控制关键技术的研究的开题报告题目：潜水器运动控制关键技术的研究一、研究背景及意义随着海洋科学技术的不断发展，深度潜水器在海洋领域中的应用正在不断扩大。
深度潜水器是指能够深入海洋底部进行科学研究、资源勘探和水下建设等活动的专业设备。
潜水器在海底有着非常重要的作用，但是潜水器与水下环境的交互会给运动控制带来很大的困难，因此，如何优化潜水器的运动控制系统是当前深度潜水器研究的热点问题。
二、研究内容及目标本研究旨在研究深度潜水器运动控制关键技术，具体研究内容包括以下问题：1.潜水器运动控制原理分析2.基于PID控制算法的潜水器运动控制方法研究3.基于模糊逻辑的潜水器运动控制方法研究4.基于神经网络的潜水器运动控制方法研究5.基于遗传算法的潜水器运动控制方法研究6.潜水器运动控制系统优化设计三、研究方法本研究采用理论研究和数值模拟相结合的方法，通过对深度潜水器的运动控制原理的探究和分析，提出基于PID控制算法、模糊逻辑、神经网络和遗传算法等方法的运动控制方案，基于数值模拟平台进行运动控制效果的仿真验证，并进行优化设计。
四、研究预期成果本研究的预期成果包括：1. 潜水器运动控制原理的深入研究，建立潜水器运动控制理论模型。
2. 基于PID控制算法、模糊逻辑、神经网络和遗传算法等方法的运动控制方案。
3. 利用数值模拟平台验证方案的运动控制效果。
4. 运动控制系统的优化设计。
五、研究计划与进度本研究计划分为以下几个阶段：1. 阅读文献，深入了解潜水器的运动控制原理和现状，完成综述部分的撰写。
（2周）2. 建立潜水器运动控制理论模型，研究基于PID控制算法、模糊逻辑、神经网络和遗传算法等方法的运动控制方案。
（4周）3. 利用数值模拟平台进行控制效果的仿真验证以及控制系统的优化设计。
（6周）4. 总结成果，并撰写论文。
（2周）预计研究周期为14周，即2022年6月至9月。
六、研究团队及经费支持本研究为国家自然科学基金青年项目，由某大学某院系主持，团队成员包括教授、博士后及硕士研究生，总经费为XXX万元。
水下航行器基础运动控制仿真研究
Vol. 41 No. 3
157
舰 船 电 子 工 程
Ship舰Electronic
船 电 子Engineering
工 程
2021 年第 3 期
水下航行器基础运动控制仿真研究
∗
章乐多
（海装上海局驻上海地区第七军代室
摘
要
上海
201108）
针对某小型水下无人航行器模型，根据运动学和动力学原理，详细考虑静力、水动力、控制力作用，建立舵桨操
0
0
λ 33
0
λ53
0
结合水下航行器的外形特征，可将粘性水动力
（矩）GV 写成下列形式。
éXV ù
êY ú
êê V úú
Z
GV = êê V úú
êêKV úú
êêM úú
ê Vú
ëNV û
éX u| u |u| u | + X qq q2 + X rr r 2 + X vr vr + X wq wq
2
UUV 基础运动控制
]
1.5m/s，仿真得到的 UUV 前向航速和螺旋桨转速变
化曲线如下所示。
1.6
1.4
1.2
速度/m/s
J=
4
0.8
0.6
0.4
0.2
û
式中，L r 是舵轴距动系坐标原点的距离。
空 间 运 动 仿 真 程 序 。 本 文 研 究 的 UUV 模 型 ，长
1350mm，直 径 188mm，重 30kg。 UUV 尾 部 配 备 一
只直径 150mm 的常规螺旋桨，尾部收缩段安装两
片水平舵和两片垂直舵。
采用仿真程序对以 1m/s 速度直航的 UUV 进行
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・
2 2
1 水下潜器数学模型的建立
为描述水下潜器的运动 ,必须先建立适合描述其 运动的坐标系 。本文采用国际水池会议 ( ITTC ) 推荐 的和造船与轮机工程学会 ( SNAME )术语公报的体系。 η ζ(简 建立 2 个右手坐标系 : 一个是固定坐标系 E - ξ ) , 固定于地球 ; 另一个是运动坐标系 o2xyz 称“ 定系 ” (简称“ ) ,固联于水下潜器 ,如图 1 所示 。 动系 ”
Iyx p + Iyy ・ q + Iyz・ r + ( Ixx p + Ixy q + Ixz r) r - ( Izx p +
・ Izy q + Izz r) p +m [zG (・ u +wq - vr) - xG (w + vp2uq) ] =
・
m [ v - w p + u r - yG ( r + p ) + zG ( qr - ・ p) +
关键词 : 水下潜器 ; 定深控制 ; 定位控制 ; 滑膜控制 ; 计算机仿真 中图分类号 : U6741941; TP242 文献标识码 : A 文章编号 : 1672 - 7649 ( 2009 ) 01 - 0137 - 04 DO I: 1013404 / j1 issn11672 - 7649120091011030
・
ρ5 ・ 2 2 L [M・ ′ q +Mpp ′ p +M r′ ′ ′ q r r +M r p rp +M q q q | q | ] + 2 ρ 4 ρ 4 ・ ・ L [M w ′ w +M v ′ ′ L [M q ′ uq + r vr +M v p vp ] + 2 2 1 2 2 M |′ u | q |δ ′ (v +w ) 2 q] + q|δ s +M | w| q s
1 ρ3 2 2 2 L [M 3′ u +Mw ′ uw +Mw′ ( v +w ) 2 ] + w w 2 1 ρ 3 2 2 2 L [M ′ ′ ] + w w (v +w ) w u | w | +M w 2 ρ3 2 2 2 θ L [M vv ′ v +Mδ ′ uδ ′ uδ ; δ b +M s ] +M y - ph sin b s 2 偏航力矩方程 :
2 2
zG ( pr + ・ q) ] =
ρ 4 2 2 L [Xq ′ q q + X′ rr r + X ′ rp rp ] + 2 ρ 3 ρ 2 2 2 ・ L [X・ ′ u + X v′ ′ L [X u ′ ′ u r vr + Xw qw q ] + u u + Xv vv + 2 2 ρ 2 2 2 2 2 2 δ δ δ Xww ′ w ] + L u [X δ ′ + Xδ ′ ′ ] + δ δb δ b + Xδ r r r b s s s 2 θ ( 1) Tx - ( P - B ) sin ; 侧向力方程 :
力定位控制系统的刚度很难满足定点作业的要求 。 潜器具有耦合 、 非线性 、 时变等动力学特点 ,使得 其运动控制的难点有 : 很难确定潜器所受到的水动力 影响 ; 难以精确地建立其动力学模型 , 尤其是基于模 型的控制方法更加难以实现控制 。因此 ,设计具有鲁 棒性或自适应能力的控制方法一直都是国内外的研 究重点和难点 。为此 , 各国的专家 、 学者们对此做了 大量的工作和研究 , 提出了多种控制方法 , 如模糊控 制、 神经网络 、 自适应控制 、 预测控制 、 滑膜控制及其 相互结合等
ρ 4 ・ ・ L [ Y・ ′ ′ p + Yp ′p p | p | + r r + Y・ p 2 ρ 3 ・ Yp ′ ′ L [ Y・ ′ ′ ′ q pq + Y q r qr] + v v + Yv q vq + Yw pw p + 2 ρ 3 Yw ′ L [ Y′ ′ up + Y ′r δr u | r | δ r w r] + r u r + Yp r + 2 1 ρ 2 v 2 2 2 ( v + w ) 2 | r | ] + L [ Y3 Yv ′r ′ u + | v| 2
2 2
ρ 5 ・ ・ L [ K・ ′ p + K・ ′ ′ p r r + Kq r qr + K ′ pq pq + 2 ρ 4 ・ Kp ′p p | p | ] + L [ K・ ′ v + Kp ′ up + K ′ v r u r] + 2 ρ 4 ρ 3 2 L [ Kv ′ ′ ′ L [ K3 ′ u + q vq + Kw p w p + Kw r w r] + 2 2 1 ρ 3 2 2 Kv ′ uv + Kv ′v v ( v + w ) 2 ] + L [ Kv ′ w vw + 2 2 θsin φ; (4) K′ δr u δ r ] +M x + ph co s 纵倾力矩方程 :
w p) ] =
根据 1967 年 泰 勒 海 军 舰 船 研 究 和 发 展 中 心 (DTNSRDC )发表的格特勒等《用于潜艇模拟研究的 标准运动方程 》 ,可以得到水下潜器 6 自由度空间运 动方程 : 轴向力方程 :
m [・ u - vr + w q - xG ( q + r ) + yG ( pq - ・ r) +
[3 - 9]
。滑膜控制为变结构控制 ,本质上是
收稿日期 : 2008 - 04 - 15; 修回日期 : 2008 - 05 - 23 作者简介 : 余成伟 ( 1979 - ) ,男 ,工程师 ,主要从事水下潜器总体设计与运动控制研究 。
・138・
舰 船 科 学 技 术
Yv ′ uv + Y v ′v v (v +w )
横摇力矩方程 :
Ixx p + Ixy ・ q + Ixz・ r + ( Izx p + Izy q + Izz r) q - ( Iyx p +
图 1 固定坐标系和运动坐标系
Fig11 Coordinated frames
・ Iyy q + Iyz r) r + m [ yG ( w + vp - uq) - zG (・ v + ur ・
0 引 言
海洋占整个地球总表面积的 71% , 无论从任何 角度 ,人类都要进一步扩大开发和利用海洋 。水下潜 器作为一种高技术手段 ,在海洋开发和利用中扮演着 重要的角色 ,可用于海底地形地貌勘察 、 海洋资源及 地质调查 、 海洋环境和水文参数测量 、 生物考察等任 [1 - 2] 务 。潜器在水中运动时 ,是具有 6 个自由度的运 动刚体 ,是一个强耦合的非线性系统 。特别是在定点 作业时 ,在零速时产生“ 零动力 、 零刚度 ” 问题 , 使动
第 31 卷第 1 期 2009 年 1 月
舰 船 科 学 技 术
SH IP SC IENCE AND TECHNOLOGY
Vol . 31, No. 1 Jan. , 2009
水下潜器运动控制与仿真研究
余成伟 , 郭 莹
1 2
( 1. 中国舰船研究设计中心 ,湖北 武汉 430064; 2. 华中科技大学 船舶与海洋工程学院 ,湖北 武汉 430074 )
摘 要: 水下潜器是一种非常重要的海洋开发装置 ,具有强耦合 、 非线性等特点 。主要讨论水下无人潜器的自
主定深和定位控制技术 。文中根据潜器的 6自由度运动方程 ,在充分考虑了水动力因素的基础上 ,使用 Quasi2 Lagrange 方程建立潜器的数学模型 ,并将其分解为一系列相互关联的子系统 。采用滑模控制方法用于潜器的定深控制 ,并对其他 方向运动进行定位控制 。滑模因控制算法简单 、 鲁棒性好 、 可靠性高 ,并且不需要系统整体模型 ,被广泛应用于运动控制 和非线性系统的控制中 。通过计算机仿真 ,验证了该控制算法对水下潜器的运动控制效果良好 、 准确 。
ρ 4 2 2 ・ L [ Z・ ′ q + Zp ′ q p p + Z′ rr r + 2 ρ 3 ρ 3 ・ ・ Z r′ L [ Zw ′ w + Z v′ ′ L [ Zq ′ uq + p rp ] + r vr + Z v p vp ] + 2 2
yG ( rq + ・ p) ] = Z′ u | q |δ ′q | q|δ s + Zw s w | w | ( v +w )
M otion con trol and si m ula tion for underwa ter veh icle
YU Cheng2 wei , GUO Ying
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( 1. China Ship Development & Design Center,W uhan 430064, China; 2. School of Naval A rchitecture & Ocean Engineering, Huazhong University of Science and Technology,W uhan 430074, China ) Abstract: Underwater Vehicle (UV ) is a kind of im portant equipment for the developm ent of the sea. The character of the UV is coup led, nonlinear and so on. In this paper, the dep th control and positioning control are p resented for UV. B ased on the kinematical equations of UV , the Quasi2 Lagrange formulation is used to gain the model of UV , considering m ajor hydrodynam ic effects . A sliding mode controller is designed to imp lement the dep th control and positioning control . The advantage of this controller was that it didnπ t require a model of the whole UV. Finally, computer si m ulations were perfor m ed to verify the efficacy of the motion control schem e and the conclusion were p resented in the end of this paper . Key words: underwater vehicle; dep th control; positioning control; sliding mode control; si m ulation