基于预测控制的水下滑翔机器鱼位姿控制方法研究

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1、硕士学位论文基于预测控制的水下滑翔机器鱼位姿控制方法研究PREDICTIVECONTROLBASEDPOSITIONANDATTITUDECONTROLOFUNDERWATERGLIDINGROBOTICFISH陈思源哈尔滨工业大学2016年6月国内图书分类号：O232学校代码：10213国际图书分类号：510密级：公开工学硕士学位论文基于预测控制的水下滑翔机器鱼位姿控制方法研究硕士研究生：陈思源导师：马杰教授申请学位：工学硕士学科：控制科学与工程所在单位：控制与仿真中心答辩日期：2016年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学Class

2、ifiedIndex:O232U.D.C:510DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringPREDICTIVECONTROLBASEDPOSITIONANDATTITUDECONTROLOFUNDERWATERGLIDINGROBOTICFISHCandidate：ChenSiyuanSupervisor：Prof.MaJieAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：ControlScienceandEngineering

3、Affiliation：ControlandSimulationCenterDateofDefence：June,2016Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要水下滑翔机器鱼是一种新型水下机器人，结合了仿生机器鱼和水下滑翔机的特点，具有体积小、成本低、混合驱动、工作方式灵活和续航时间长等优点，在水下协同探测与搜救等领域具有广阔的应用前景。本文根据滑翔机器鱼的自身特点及应用需求，在建立其数学模型的基础上，应用模型预测控制方法，

4、深入研究了姿态控制和跟踪控制设计方法，包括指标函数的构造、数值优化算法的选择和控制器参数的设计等，具体研究结果可归纳如下。首先，根据滑翔机器鱼的组成及原理，将机器鱼简化为若干适当位置的动态和静态质点，进而将整个机体看作由动态质量（移动滑块）和静态质量（其余部分）组成二刚体系统进行受力分析。建立了惯性、机体、和速度坐标系并推导坐标系转化关系，由方向余弦矩阵微分方程和坐标转化关系得到了运动学方程，再基于机体所受力和力矩关系分析建立了动力学方程，从而完成了系统建模。在此基础上，搭建了Simulink仿真模型，为后续研究奠定了基础。其次，针

5、对滑翔机器鱼滑翔运动中的姿态控制需求，根据水下滑翔机器鱼的模型特点，设计了基于非线性模型预测控制方法的姿态控制器，实现了以鱼尾角度为输入的偏航角控制及以滑块质量矩为输入俯仰角的控制。为解决输入饱和及跳变问题，对指标函数进行了改进，同时结合仿真分析了指标函数中加权系数的作用，并给出这些系数合理的选择方法。为提高滚动优化的实时性，对不同的数值优化算法进行了对比分析，给出了减小计算耗时的方法。然后，通过大量的仿真分析验证了方法的有效性。最后，针对滑翔机器鱼实际应用中的跟踪和悬停工作模式需求，进一步研究了基于非线性模型预测控制的跟踪控制问题

6、。通过构造不同的指标函数，分别设计三个输入（水囊质量、滑块位置、鱼尾角度）和两个输入（水囊质量、滑块位置）两种情形下的目标控制器，前者可以不仅可以实现目标跟踪、还可以实现目标点处的悬停控制；后者只能实现途径目标点，但与前者相比更加节能。针对后者欠驱动特性导致跟踪能力限制，结合模型对两个输入情形下的可行域进行了分析，给出了所能跟踪的目标点的区域。此外，进一步设计了通过姿态控制位置的间接目标跟踪控制器，与直接位置控制方法相比，虽然结构复杂，但却换来了控制性能的提升。仿真结果验证了上述分析和设计的正确性和有效性。关键词：水下滑翔机器鱼、非

7、线性预测控制、姿态控制、跟踪控制I哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractUnderwaterglidingroboticfishisanewtypeofunderwaterrobots.Combiningthecharacteristicsofroboticfishandunderwaterglider,ithasadvantagesofsmallsize,cost-efficiency,hybriddrive,flexibleworkandlongduration.Glidingroboticfishhaspromisin

8、gapplicationssuchasunderwatercooperativedetection,marinesearchandrescue,andsoon.Inthispaper,accordingtothecharacteris