基于矢量推进auv的航行体运动控制研究

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1、分类号TP273_密级公开UDC__623_编号S2015-710-04硕士学位论文基于矢量推进AUV的航行体运动控制研究ResearchonthebodymotioncontrolbasedonthevectorpropulsionAUV指导教师姓名：林平万经训职称：研究员学位申请人姓名：黄宇申请学位级别：硕士专业名称：水下特种装备探测与控制研究方向：水下特种装备姿态控制技术研究论文提交时间：2015年2月培养单位：宜昌测试技术研究所学位授予单位：中国舰船研究院学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文所有研究工作，均在导师指导下由作者本人独立

2、完成。引用的有关观点、方法、数据和文献已在论文中注明，并与参考文献对应。除论文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其它个人或集体已经公开发表的研究成果。对本文研究作出任何贡献的个人和集体，均已在论文中以明确方式注明并表示感谢。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权声明中国舰船研究院和宜昌测试技术研究所（培养单位）有权保存本人呈交的学位论文复印件及电子版，有权向国家有关部门或机构送交论文复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权中国舰船研究院和宜昌测试技术研究所（培养单位）可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索

3、，可以采用影印、缩印或扫描手段保存或汇编本论文。本学位论文属于：公开√内部秘密，在年解密后适用本授权书。学位论文作者签名：导师签名：日期：年月日日期：年月日中国舰船研究院硕士学位论文摘要自主水下航行器（AUV，AutonomousUnderseaVehicle）在军用方面和民用方面都有广泛的应用前景。由于水下环境的复杂性以及不确定性，自主水下航行器已经成为代替人类进行水下探测、水下施工、水下救助和打捞等领域的重要工具，具有巨大的经济效益和社会效益。目前，自主水下航行器大多以舵控制为主，通过舵与水流的相互作用来改变航行器的姿态。AUV在高速巡航

4、状态下，这种以舵作为控制输入的方式控制效果较好，但AUV低速航行时，舵的控制效率很低，机动性差。在零速状态下，舵甚至会失去控制效果。并且，下潜过程中，以舵作为控制输入的AUV容易出现螺旋桨飞车现象，在获得俯仰力矩的同时造成推进力失效，且要克服AUV正浮力产生的力矩，因此低速下往往很难完成下潜动作。针对这些情况，本文研究了一种矢量推进器，它通过改变螺旋桨的方向来产生一个空间矢量推力，并由推力的分量提供AUV所需的操控力和操控力矩，代替了传统的操舵方式。以这种矢量推进器作为控制输入的AUV在高速和低速下都具有较好的控制效果，理想情况下，在零速状态

5、下AUV仍具有较好的控制效果。因此，无论工作在高速状态还是低速状态下，这种矢量推进AUV都具有良好的机动性和灵活性。此外，下潜过程中，由于螺旋桨向下偏转，以矢量推进器作为控制输入的AUV获得俯仰力矩的同时也能得到有效的推进力，一段时间内可以保持推进力始终有效，增加了推进力的作用时间，且可以通过提高螺旋桨转速增大下潜时的俯仰力矩，来克服AUV正浮力产生的力矩。因此低速下可以很容易完成下潜动作。本文主要的研究内容及创新点主要有以下几个方面：一、首先，建立矢量推进AUV的数学模型。根据矢量推进器的结构及工作原理，对这种矢量推进方式下的AUV进行动力

6、学和运动学分析，基于经典的动量和动量矩定理，建立矢量推进AUV的数学模型。采用解耦原理，将AUV的空间运动分解为垂直平面的纵向运动和水平面的侧向运动，并推导出AUV在巡航状态下纵向运动和侧向运动的线性化方程。二、其次，对矢量推进AUV的操纵性进行了分析。采用小扰动原理，根据得到的矢量推进AUV空间运动的线性化方程，推导矢量推进AUV纵平面运动和侧平面运动的扰动方程，进而得到矢量推进AUV各个运动参数的传递函数。然后对这种矢量推进I基于矢量推进AUV的航行体运动控制研究AUV纵平面运动和水平面运动的操纵性进行分析，给出不同航速下AUV纵平面运动

7、和水平面运动的操纵性指数，并与传统推进方式下AUV的操纵性指数进行对比。对比结果表明了矢量推进方式下的AUV操纵性更好，理论上证明了矢量推进器更适合于对AUV的操控。三、然后，对矢量推进AUV的航行体运动控制展开研究。针对AUV模型的不准确性以及水下环境的复杂性和不确定性，对矢量推进AUV的纵向运动和侧向运动分别设计模糊PID控制器和常规PID控制器，仿真得出两种控制器下矢量推进AUV在不同航行模式下的深度、俯仰角和航向角响应曲线，并对比两种控制器下系统的动态品质以及系统的抗扰动性。对比结果表明了模糊PID控制方法在一定程度上能够提高系统的动

8、态品质以及系统的抗扰动性。关键词：自主水下航行器(AUV)；矢量推进AUV；推力失效；数学模型；操纵性分析；模糊PID控制器II中国舰船研究院硕士学位论文Abstr