作業(yè)型ROV多變量位姿魯棒控制方法研究.pdf

1、水下運載器擴展了人們在海洋資源開發(fā)、海洋科學研究等方面的工作能力。深海作業(yè)型ROV由于具有較強的作業(yè)能力和廣泛的用途，近年來得到了更多的關(guān)注。因此本文以作業(yè)型ROV的動力定位和軌跡跟蹤魯棒控制為研究課題，以浙江大學自主研發(fā)的海王一號(Hydra Work-I ROV)液壓驅(qū)動作業(yè)型ROV為研究對象。使用多變量非線性魯棒控制方法，系統(tǒng)地解決了具有較強不確定性的作業(yè)型ROV的多變量位姿魯棒控制問題。本文所提出的控制方法不僅適用于一般的作業(yè)型

2、ROV，還適用于其它種類的水下運載器。
　　 本文共分為八章，各章內(nèi)容概括如下：
　　 第一章，介紹了水下運載器，特別是作業(yè)型ROV的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，綜述了水下運載器導航定位技術(shù)現(xiàn)狀及現(xiàn)有技術(shù)的不足，詳細回顧了水下運載器的各種控制方法，最后闡述了本課題的研究意義、研究難點和研究內(nèi)容。
　　 第二章，介紹了海王一號ROV的開發(fā)背景、總體結(jié)構(gòu)設計及各分系統(tǒng)組成。
　　 第三章，液壓推進系統(tǒng)作為執(zhí)行器，其性能對

3、最終的控制性能有著直接的影響。因此需要對液壓推進系統(tǒng)的非線性特性進行研究。本章通過理論分析與試驗研究，獲得其較精確的非線性特性，并對其非線性進行校正補償，以盡可能減小非線性特性對系統(tǒng)控制性能的影響。本章首先對ROV液壓推進系統(tǒng)進行了簡單介紹，然后詳細描述了海王一號ROV液壓推進系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)。緊接著詳細分析了系統(tǒng)非線性和不確定性所產(chǎn)生的根源，并通過臺架試驗獲得系統(tǒng)較精確的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)模型。在此基礎(chǔ)上，提出了液壓推進系統(tǒng)非線性補償方法，并通

4、過試驗研究證明了該方法的有效性，使液壓推進系統(tǒng)的控制精度有了較大的改善，從而滿足控制系統(tǒng)設計的要求。最后通過水池試驗，驗證了海王一號ROV的定艏和定深控制的性能。試驗結(jié)果表明所使用的推進系統(tǒng)校正補償方法是有效的，證明海王一號ROV具有較好的基本控制性能，為后續(xù)的先進魯棒控制方法研究提供了良好的試驗平臺。
　　 第四章，針對作業(yè)型ROV小范圍動力定位時高精度位置、姿態(tài)、速度和角速度測量較困難的問題。提出使用Passvie Arm(

5、PA)六自由度位姿測量傳感器系統(tǒng)，實時測量ROV的六自由度位置、姿態(tài)、速度和角速度。本章首先介紹PA的研究背景，詳細介紹了PA的設計方法，然后針對海王一號ROV的小范圍動力定位和軌跡跟蹤任務，設計了一套由七個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成的PA測量系統(tǒng)。通過使用機器人運動學的相關(guān)知識，詳細推導了基于PA的ROV位置姿態(tài)計算方法。在此基礎(chǔ)上，進一步推導了基于PA的ROV速度和角速度遞推計算方法。最后通過臺架試驗，對PA的測量精度進行了驗證。證明所設計的PA

6、系統(tǒng)，可以滿足作業(yè)型ROV動力定位時高精度全狀態(tài)測量的要求。
　　 第五章，詳細分析了水下運載器的運動與受力情況，建立了一般水下運載器的非線性數(shù)學模型，通過合理假設與簡化，獲得了便于控制器設計的作業(yè)型ROV非線性數(shù)學模型。建立了海王一號ROV的六自由度非線性仿真模型，用于控制算法的仿真研究。
　　 第六章，針對存在復雜外干擾、參數(shù)不確定性以及強非線性耦合特性的作業(yè)型ROV的多變量位姿魯棒控制問題，對于具有全狀態(tài)測量能力的

7、作業(yè)型ROV，提出了一種基于自適應Backstepping和滑?？刂萍夹g(shù)的全狀態(tài)反饋多變量非線性魯棒控制方法。該方法通過使用Lyapunov穩(wěn)定性理論，證明了當存在參數(shù)不確定性和未知有界外干擾時，系統(tǒng)是局部漸近穩(wěn)定的，并且保證跟蹤誤差是局部漸近收斂的。針對作業(yè)型ROV在動力定位時的特點，對系統(tǒng)六自由度模型進行了合理的簡化，得到了更便于控制器設計的ROV四自由度模型。通過與傳統(tǒng)PID控制器的對比仿真研究表明，所提出的控制方法具有比常規(guī)PI

8、D控制器更好的控制品質(zhì)和魯棒性能。在水池試驗中，使用PA位姿測量系統(tǒng)提供控制器所需要的全部狀態(tài)量，實現(xiàn)了ROV的高性能小范圍軌跡跟蹤控制，證明了該控制算法的有效性。經(jīng)過與常規(guī)PID控制器的對比試驗研究，進一步證明了所提出控制算法的優(yōu)越性。
　　 第七章，針對僅具有位置、姿態(tài)測量的作業(yè)型ROV多變量位姿魯棒控制問題，提出了一種基于自適應平滑增益滑模觀測器和多變量積分Backstepping控制器的多變量非線性魯棒輸出反饋控制方法。

9、使用基于Lyapunov穩(wěn)定性理論的設計方法保證了觀測器-控制器系統(tǒng)的穩(wěn)定性。設計的自適應平滑增益滑模觀測器，克服了常規(guī)滑模觀測器中所存在的高頻顫振現(xiàn)象，從而實現(xiàn)了較平滑的速度估計。理論證明，當存在系統(tǒng)模型不確定性和未知有界干擾時，速度估計誤差仍然將以指數(shù)速率收斂至較小的球域內(nèi)。設計的多變量積分Backstepping控制器，可以保證系統(tǒng)的跟蹤誤差收斂至較小的球域內(nèi)。通過對比仿真研究表明，當系統(tǒng)存在較大參數(shù)不確定性、較強未知外干擾和測量