水下潜器姿态角的分数阶 PID 控制研究

针对水下潜器纵向姿态角控制的稳定性问题,对水下潜器的姿态角控制系统设计一种分数阶 PID 控制器。在控制器设计过程中,引入时间误差绝对值（ITAE）准则,ITAE 准则的引入可快速获得分数阶 PID 的优化参数,设计优化分数阶 PID 控制器。最后,以水下潜器的传递函数为仿真对象,分别采用分数阶 PID 控制器和常规PID 控制器进行仿真研究。通过控制性能比较发现,本文所提出的分数阶 PID 控制器的控制效果明显优于常规 PID控制器,且分数阶 PID 控制器具有更强的鲁棒性。     

水下潜器姿态角的分数阶PID控制研究

针对水下潜器纵向姿态角控制的稳定性问题,对水下潜器的姿态角控制系统设计一种分数阶PID控制器。在控制器设计过程中,引入时间误差绝对值(ITAE)准则,ITAE准则的引入可快速获得分数阶PID的优化参数,设计优化分数阶PID控制器。最后,以水下潜器的传递函数为仿真对象,分别采用分数阶PID控制器和常规PID控制器进行仿真研究。通过控制性能比较发现,本文所提出的分数阶PID控制器的控制效果明显优于常规PID控制器,且分数阶PID控制器具有更强的鲁棒性。     

四元数法在AUV六自由度仿真中的应用

AUV六自由度仿真几乎无一例外都是基于欧拉角方法来求解运动微分方程,这种方法可以很直观地得到AUV的位置和姿态角,不过在纵倾角±90°的情况下会产生奇异点,使仿真无法进行下去.为克服上述不足,采用了四元数法取代欧拉法.仿真结果表明,四元数法可以进行任意角度的仿真.     

水下航行器航向测姿算法改进仿真研究

在水下航行姿态优化问题的研究中,存在滤波实时性不高,系统鲁棒性差等问题,提出一种信息融合姿态解算方法。该种姿态解算方法基于四元数惯性系统数学模型,并对MEMS传感器信号预处理,将惯性模块的测量数据与观测数据进行向量积,通过PID控制器进行调节,互补滤波对角速度进行修正,利用龙格库塔法对四元数微分方程进行更新求得更精确的姿态角数据。仿真结果表明,提出的方法较传统姿态解算具有更好的精度以及鲁棒性。     

Robustness of autonomous underwater vehicle control in variable working conditions

The performance of the control systems of autonomous underwater vehicles (AUVs) in the presence of parameter variations was studied. With an AUV working at different operating speeds and in different ocean environments, the physical parameters such as speed, hydrodynamic coefficients, or inertias may be perturbed from their nominal values. The vehicle control systems can be modeled as systems with parameter uncertainty. An existing robust control method, which uses the robustness properties of polynomials, was used for this system to calculate the permissible ranges of variation in the parameters. The method was applied to the Naval Postgraduate School AUV II and the results were verified by simulating the motion control of the vehicle under the influence of parameter perturbations.     

深水欠驱动自主水下航行器分布式控制方法

针对传统CAN总线控制方法在欠驱动状态下,出现的控制指令响应速度慢、欠驱动状态下控制指令下达滞后等问题。提出深水欠驱动自主水下航行器分布式控制方法,在传统CAN总线控制方法的基础上建立欠驱动信号指令识别单元与分布式控制指令识别传输单元,实现分布式控制的效果。通过对比实验证明:提出的深水欠驱动自主水下航行器分布式控制方法,能够准确识别航行器的欠驱动状态,并通过分布式控制指令传输方式,完成对欠驱动状态下航行器的稳定、准确控制。     

负浮力四倾转推进器水下机器人姿态跟踪控制

负浮力四倾转推进器水下机器人(NQTAUV)的姿态控制受到各种干扰的影响,导致姿态跟踪误差。为了实现干扰的估计与补偿,进行精确的姿态跟踪,设计干扰观测器和姿态控制器。首先,建立姿态跟踪误差模型,基于抗干扰控制理论,设计干扰观测器估计干扰,然后设计姿态跟踪控制器,并在三自由度实验平台上进行姿态跟踪实验。比较干扰观测器激活和关闭情况下,跟踪正弦信号的性能。实验结果表明,干扰观测器能够准确估计干扰,控制器能够对干扰进行补偿,实现了高精度的姿态跟踪。研究结果显示,基于干扰观测器的姿态跟踪控制能够对干扰进行补偿,提高了姿态跟踪精度。     

自主式水下机器人控制技术研究综述

自主对接是无人水下航行器（UUV）协同作业的关键,但受复杂环境和对象特性的影响,精准引导与对接难度很大。为了提高水下对接的准确性和鲁棒性,设计一种基于视觉引导的对接方案,并针对视觉解算和三维轨迹跟踪控制技术开展研究。

首先,结合任务和对象特性分析,设计基于视觉引导的总体对接方案。其次,设计YOLOv5神经网络完成水下对接站的目标检测,并基于EPnP算法实现对接站与UUV之间相对位姿关系的在线测量。接着,结合视觉解算结果,基于三维LOS制导、径向基函数神经网络（RBFNN）、终端滑模控制（TSMC）和李雅普诺夫理论,设计一种高效的三维鲁棒轨迹跟踪控制器。最后,通过数值仿真和水池试验验证该设计方案的有效性。

在水池试验中,视觉引导控制算法能够有效完成水下对接站的在线检测与相对定位,实现UUV的精准水下对接。

研究表明,所提出的视觉引导三维轨迹跟踪控制方案合理、高效,可为UUV水下对接奠定基础。

     

非线性PID控制器在潜艇深度控制中的应用

基于潜艇垂直面非线性运动模型,模拟波浪干扰力和瞬间干扰力情况下潜艇的操纵运动;利用非线性PID控制技术、状态扩张技术(ESO),对潜艇深度变换进行控制,仿真表明,无论深度差异多大,控制器都能使得潜艇实现快速且零超调的深度变换控制。     

自主式无人水下航行器航向自适应滑模控制

无人水下航行器是未来水下战场的重要武器装备,对其运动控制的研究得到广泛关注,其中航向控制的实现是研究的热点问题。对无人水下航行器六自由度动力学方程进行简化,得到横向运动动力学方程,并将偏航角作为控制对象,采用滑模控制的方法实现对航向角的跟踪控制,并引入自适应机制在线估计未知参数,减小参数不确定性对稳定性的影响。通过对控制算法的仿真,结果表明了控制器设计的正确性。     

新型自主水下航行器的运动控制研究与应用

针对与上海交通大学共同研制的ZY-1型自主水下航行器,本实验室承担了其动力推进装置设计与优化任务。本文首先综合水动力特性和新型后置推进器的设计,分析此新型AUV后置X型推进器的推力模型,对AUV在水平面与垂直面的运动方式和相应的控制算法进行阐述,并设计了PID控制器。接下来在搭建的实验平台上对PID控制参数进行整定。最终在拖曳水池试验中验证了所述方法的合理性,并且在后期的湖试中得到了满意的试航结果。     

Design and evaluation of a hierarchical control architecture for an autonomous underwater vehicle

This paper researches on a kind of control architecture for autonomous undelwater vehicle （AUV）. After describing the hybrid property of the AUV control system, we present the hierarchical AUV control architecture. The architecture is organized in three layers： mission layer, task layer and execution layer. State supervisor and task coordinator are two key modules handling discrete events, so we describe these two modules in detail. Finally, we carried out a series of tests to verify this architecture The test results show that the AUV can perform autonomous missions effectively and safely. We can conclude the control architecture is valid and practical.     

多矢量推进水下航行器深度分组控制数学建模分析

传统水下航行器控制模型分析算法缺少对矢量动力参数的模型分析计算逻辑,因此造成控制模型分组参量关系分析不足,导致水下航行器控制动力输出量出现偏差的问题。因此,提出多矢量推进水下航行器深度分组控制数学建模分析。通过引入非线性适量运动算法,对水下航行器矢量推进下的运动进行数学模型建立分析;得到运动参数后,引入动力分组控制算法,根据计算得到的运动参数,对水下航行器进行深度分组控制模型的建立计算,从而得到准确的控制参量。最后,通过设计的仿真实验对上述分析结果进行准确性验证,证明提出方法的可行性。     

自主潜航器姿态控制力矩陀螺群的DSP控制系统设计

传统舵面执行机构在自主潜航器低速或零速状态时对其进行姿态控制舵效不足,为改善其操纵性能,引入框架控制力矩陀螺（CMG）作为自主潜航器的姿态控制执行机构,其中驱动系统由4台高速无刷直流电机及4台减速电机组成。考虑到自主潜航器对控制力矩陀螺电机的性能要求,设计了以数字信号处理器（DSP）TMS320F2812为核心的永磁无刷直流电机与蜗轮蜗杆减速电机调速控制系统,包括DSP主控模块、PWM光电隔离模块、驱动模块、JTAG接口模块、RS-232串行通信模块等硬件电路及系统上、下位机的控制软件程序。设计并制作了外围电路板,实现了对无刷直流电机驱动的陀螺转子进行启动停止、转速给定、转速测量等控制任务,以及蜗轮蜗杆减速电机驱动的陀螺框架启停及正反转响应迅速。试验表明,所设计的DSP控制系统能较好地满足自主潜航器姿态控制需求。     

基于改进粒子群优化算法的自主水下航行器深度控制

为解决欠驱动自主式水下航行器的定深控制问题,建立欠驱动自主式水下航行器的数学模型,选用经典的PID控制器对其进行控制。为使控制器的各项性能指标良好,控制器的参数整定选用粒子群优化算法。粒子群算法在迭代过程中容易出现粒子早熟现象,为了避免这一现象,本文引入指数函数,对粒子群迭代公式的惯性权重进行动态调整,延长了粒子的大范围搜索时间。在Matlab 2019b环境下进行仿真,通过纵向对比,证明了改进算法的可行性,将改进后的算法与ZN整定算法进行对比,结果表明,改进粒子群算法表现更佳。     

Coordinate control of initiative mating device for autonomous underwater vehicle based on TDES

A novel initiative mating device, which has four 2-degree manipulators around the mating skirt, is proposed to mate between a skirt of AUV （autonomons underwater vehicle） and a disabled submarine. The primary function of the device is to keep exact mating between skirt and disabled submarine in a badly sub sea environment. According to the characteristic of rescue, an automaton model is brought forward to describe the mating proceed between AUV and manipulators. The coordinated control is implemented by the TDES （time discrete event system）. After taking into account the time problem, it is a useful method to control mating by sinmlation testing. The result shows that it reduces about 70 seconds after using intelligent co-ordinate control based on TDES through the whole mating procedure.     

基于模糊自适应滑模方法的AUV轨迹跟踪控制

针对水下航行环境中自治水下机器人(Autonomous Underwater Vehicles,AUV)航迹精确跟踪问题,提出一种基于模糊自适应滑模方法的AUV航迹跟踪控制算法。在建立AUV系统动力学模型基础上,将其运动通过变结构滑模控制律结合模糊逼近设计出AUV航迹跟踪控制系统,采用模糊系统实现模型未知干扰的自适应逼近,基于Lyapunov稳定性理论,讨论了闭环系统的稳定性。在考虑加入外界干扰的条件下使用Matlab/Simulink软件,进行数值仿真,模拟轨迹跟踪能够达到稳定并且较平滑连续跟踪预定航迹,对干扰有较好的抑制作用。仿真结果表明了所提控制方法的有效性。     

基于模糊理论的水下航行器运动控制及仿真研究

为消除传统模糊控制存在的控制盲区,采用模糊控制与PID控制结合的控制方案。针对现有变论域模糊控制运算量大、推理规则利用率低等缺点,提出分级变论域的方法,设计某型水下航行器相应的模糊PID控制器,并利用计算机进行仿真试验。结果表明,相较于传统PID控制,在水下航行器深度及纵倾控制中,模糊PID控制器具有速度快、超调小及稳定时间短等特点,对于复杂非线性对象的控制器设计有着较好的借鉴意义。     

水下航行器的电力推进变频器二次调频自适应PID控制

为解决传统水下航行器电力推进变频器二次调频控制方法,存在电力推进变频器输出效率较低的不足,提出了水下航行器的电力推进变频器二次调频自适应PID控制,基于电力推进变频器二次调频参数阈值的确定;依托PID控制参数的计算,以及PID控制程序的执行,实现了水下航行器的电力推进变频器二次调频自适应PID控制,试验数据表明,提出的二次调频自适应PID控制方法较传统控制方法,输出效率提高47.41%,适合水下航行器电力推进变频器的二次调频控制。     

模糊自适应PID控制在载人潜器动力定位中的应用研究

根据我国正在研制开发的某型载人潜器的特性及其对动力定位的要求，设计了一个模糊自适应PID控制器，通过模糊推理实现在线修改PID参数，仿真结果证明了这种方法具有良好的效果和应用性。