新型碟形水下機器人及其航姿預(yù)測控制系統(tǒng)研究.pdf

1、近些年來隨著地上資源的逐漸短缺,占據(jù)地球表面積71％的海洋空間成為了各國家關(guān)注的焦點。水下機器人作為一種涉及多個學(xué)科技術(shù)的科研成果對于海洋開發(fā)以及鞏固海疆有著不可或缺的作用。在復(fù)雜的海洋環(huán)境當中,水下機器人如何進行自主、穩(wěn)定及高效的運行已經(jīng)成為行業(yè)關(guān)注的重點。水下機器人的結(jié)構(gòu)和控制方法則是保障和提高水下機器人應(yīng)用的核心技術(shù)。研究水下機器人的結(jié)構(gòu)及控制方法將對加速水下機器人的實用化、工程化進程起著不可估量的作用。
　　水下機器人是一

2、種多輸入多輸出、強非線性、時變、大慣性系統(tǒng)。廣義預(yù)測控制算法已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,但是將其應(yīng)用到該系統(tǒng)中需要有一個良好的預(yù)測模型為前提。本文提出了一種新型的水下機器人,并將該機器人作為研究對象,對廣義預(yù)測控制算法在其航姿控制上的應(yīng)用做了相應(yīng)的研究工作。首先在介紹和分析機器人的結(jié)構(gòu)及運行模式的基礎(chǔ)上進行機理建模獲得了該機器人的水動力方程。通過FLUENT水動力仿真軟件對機器人進行仿真。在水下機器人的水動力性能的方面,考慮到水下機器人上的

3、進水孔結(jié)構(gòu)可能帶來的水動力影響,通過相關(guān)理論上對開孔結(jié)構(gòu)進行定性分析,排除了該問題的影響。采用RNGk-ε湍流模型,用數(shù)值手段模擬了橢球體及碟形體斜航性能。同時,采用動網(wǎng)格技術(shù)數(shù)值計算了橢球體及碟形體的PMM試驗運動,得到水下機器人的幾個主要的水動力系數(shù)。通過橢球體水動力系數(shù)與勢流理論面元法結(jié)果的比較,驗證了數(shù)值計算的可行性與準確性,對比驗證該新型水下機器人具有良好的靈活性、穩(wěn)定性及水動力性能強的特點。
　　在以上研究的基礎(chǔ)上對機

4、器人的水動力外形進行了優(yōu)化。通過進行機器人水動力運動仿真實驗獲得的水下機器人的水動力參數(shù),結(jié)合水動力方程進行了相應(yīng)的線性化簡化,得到了最終的水下機器人水動力方程。
　　在簡要分析了支持向量的原理和利用支持向量機辨識系統(tǒng)模型的可行性后,本文針對水下機器人強非線性、模型參數(shù)復(fù)雜且不易于得到的狀況,提出了基于支持向量機回歸理論,通過多輸入多輸出辨識碟形水下機器人系統(tǒng)控制模型的方法,而后對支持向量機參數(shù)的尋優(yōu)方案作出了分析和比較。針對保證

5、精度并控制計算量和駐點問題,提出了采用多窗口網(wǎng)格尋優(yōu)得到支持向量機最優(yōu)參數(shù)的方法。為了使系統(tǒng)能夠?qū)崟r適應(yīng)復(fù)雜多變的工作環(huán)境,采用在線辨識不斷修正系統(tǒng)的預(yù)測模型。引用Logistic人口模型來對舊數(shù)據(jù)表進行加權(quán)剔除,并將新數(shù)據(jù)映射到高維空間判斷其與原有系統(tǒng)的線性相關(guān)性來進行篩選有效數(shù)據(jù),以此實現(xiàn)對模型修正。通過該方法解決了支持向量機在線應(yīng)用中遇到的稀疏性差以及大量數(shù)據(jù)重新辨識的計算問題。而后分別對在線辨識和離線辨識的效果還有辨識誤差大小和

6、控制情況的優(yōu)劣進行了比較,驗證了該在線辨識方法獲得的模型的預(yù)測能力。
　　為了解決水下機器人大慣性的滯后問題,提出了碟形水下機器人的廣義預(yù)測控制算法?？紤]到碟形水下機器人是一個多輸入多輸出的非線性系統(tǒng),需要簡化模型辨識問題和避免模型預(yù)測中的大量矩陣運算,由于支持向量機辨識得到的系統(tǒng)仍然是一個具有支持向量機結(jié)構(gòu)的非線性系統(tǒng),為了便于系統(tǒng)控制,利用多元函數(shù)泰勒展開將基于支持向量機的非線性系統(tǒng)瞬時線性化,得到系統(tǒng)的差分方程。從而提出了針

7、對該碟形水下機器人的在線自適應(yīng)多輸入多輸出廣義預(yù)測控制算法。
　　文章對支持向量機廣義預(yù)測控制分別建立航向、橫搖和縱搖的三個輸出控制模型。利用水下機器人技術(shù)國家重點實驗室的水下機器人試驗水池進行了定航向、定橫搖角以及俯仰S型機動實驗,測試了該機器人的機動性能。并且與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和水動力仿真建立的模型所得到的控制效果分別進行比較,對比了三種控制方法在碟形水下機器人的控制效果,驗證了本文提出的的自適應(yīng)航姿控制算法在該非線性系統(tǒng)上的良好