自主水下航行器建模与控制系统研究开发

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1、中文摘要随着海洋资源和环境日益成为当今关注的焦点，以及海洋科研与军事任务的迫切需求，90年代以来，自主水下航行器成为全世界研究的热门课题。本论文是国家“十五”863计划海洋监测技术领域研究中重要的一部分，研究对象为小型化、模块式、预编程自主水下航行器，主要研究内容为系统建模和控制。自主水下航行器系统动力学模型具有很强的非线性特征，本文基于Newton—Euler方程建立了六自由度动力学模型，并运用解耦和小扰动理论，对模型进行了台理简化，将控制系统分解为弱耦合的子系统。基于简化模型，分别设计了航速、航向、纵倾和深度的PID控制器，仿真结果证明

2、了自航行控制系统的鲁棒性和稳定性。根据自主水下航行器的组成、功能和任务，本文对分布式控制结构和基于功能的体系结构进行了研究。在此基础上，首次将CAN总线应用到自主水下航行器控制系统中，并设计了基于CAN总线的混合一分布式总体控制系统。然后本论文重点针对总体控制系统中最基础和最重要的执行层控制系统进行了总体舰划和详细的软硬件设计。包括：CAN节点硬件设计，航行控制系统，任务执行系统，C与汇编语言混合编写了通讯程序、数据处理与执行程序等。最后，针对AUV整机和现场联调试验量极大的特征，基于VC高级语言编写了便于检测和试验的PC机可视化程序。为了

3、验证理论与设计的正确性和有效性，进行了第一阶段实体试验，试验结果表明，自主水下航行器动力学建模、总体及控制系统的设计思路和设计方案是正确可行的。关键词：自主水下航行器，建模，PtD控制器，仿真，控制系统，CAN总线ABSTRACTAstheoceanattractsgreatattentiononresourcesandenvironmentalissuesaSwellasscientificandmilitarytasks，numerousworldwideresearchanddevelopmentactivitieshaveoccur

4、redintheareaofautonomousunderwatervehicles(AUVs)sincethe1990s．Asanimportantpartoftheprojectionofoceanmeasuringtechnologyfieldof‘863’plan—research，thethesisresearchesOnaminiature，modular,preprogrammedAUv-andfocusesonmodelingandconffolsystem．ThemodelofAUViScomplexlynonlinear

5、．BasedonNewton—Euler’Sequations．thethesisdealswiththederivationofageneralsix-degreedynamicmodelforallautonomousunderwatervehicle．ByusingdecouplingandmethodofSNlallperturbation．thegeneralmodelisreasonablysimplified．Thesystemisseparatedintolightlyinteractingsubsystems，andfou

6、rautopilotcontrollersbasedonProportionalIntegratingDifferential(PID)techniquesaredesignedforforwardspeed，steering，pitchanddepthcontr01．Resultsfromsimulationshowrobustperformanceandstabilityfortheautopilot．AccordingtotheAUV’Sconstitution，functionsandtasks，Thedistributedandh

7、ybridcontr01architectureiSstudiedinthethesis．ControllerAreaNet(CAN)iSusedintheAUVfirstly,andahybridanddistributedcontrolarchitectureiSdeveloped．Thentheexecutionlayer,whichiSthe】owestbutmostfundamentalandkeyoneinthecontrolsystemforAUVisgenerallyplannedanddesignedindetail．功e

8、designsincludehardwaresandsoflwares．asfollowsnavigationcontr01subsystem，executiontasksubs