混合驱动水下自航行器控制系统设计

将32位ARM微处理器应用于混合驱动水下自航行器的控制系统。首先介绍了混合驱动AUV控制系统的总体体系结构,将CAN总线应用于混合驱动AUV,开发了基于CAN总线的分布式控制系统;简单介绍了以ARM7微处理器LPC2129为主控制芯片的控制系统硬件设计;制定了适用于混合驱动AUV的CAN应用层协议和相应的软件,遵照分层递阶的体系结构设计了控制系统的软件,并采取软硬件相结合的方法解决了控制系统的可靠性问题。联调实验证明该系统性能稳定、工作可靠。

大翼展混合驱动无人水下航行器水动力特性研究

为提高无人水下航行器的操纵性和运动控制算法的高效性,对航行器水的动力特性进行分析尤为重要。基于黏性流体理论,采用高效的计算域分区法提高航行器变攻角网格的生成效率,开展不同攻角和航速下的航行器水动力数值预报与分析,定量给出航行器的升阻力、升阻比和俯仰力矩系数随攻角的变化规律,得到航行器上浮和下潜时对应的最优攻角和动压力中心点偏移量,为航行器的运动的姿态控制提供设计和指导依据。分析攻角对航行器压力场、速度场和涡量场的影响规律,为后续优化航行器构型、提高航行器的水动力性能奠定基础。

混合驱动水下航行器水平推进模式水动力特性

关于水下航行器结构设计优化问题,混合驱动水下航行器(HUG)是一种新型水下航行器,实现了自治式水下航行器(AUV)与水下滑翔机(AUG)结构和功能的集成,具有航速大、航程长、机动性好等特点。混合驱动水下航行器所受水阻力与机动性是其水平推进模式(AUV模式)下的重要性能指标。针对混合驱动水下航行器的要求与结构特点,采用计算流体力学方法,分析了航行器在AUV模式下的航行水阻力和机动性。研究表明,混合驱动水下航行器在集成AUV与AUG功能优势的同时,在AUV运行模式下,航行阻力将增大约30%,航行机动性降低约15～25%。结果为混合驱动水下航行器的外形设计提供了依据。

欠驱动自主水下航行器轨迹跟踪控制

文章基于级联方法,研究了欠驱动AUV的水平面轨迹跟踪控制问题。将跟踪误差分解为位置跟踪和航向角跟踪2个相互级联的系统,独立设计跟踪控制器,级联系统理论则保证了整个轨迹跟踪误差的全局一致渐近稳定性。其中,采用反演方法获得位置跟踪的全局一致渐近跟踪控制器,并且针对参考航向角速度为非零常值的一类参考轨迹,推导出保证系统全局一致渐近稳定的控制参数及参考轨迹条件。仿真研究表明该轨迹跟踪控制器是有效的,控制品质良好。

混合驱动水下滑翔器滑翔状态机翼水动力特性

将水下滑翔器和水下自航行器两者功能集合于一身，提出了一种新概念混合驱动水下滑翔器．采用计算流体力学方法对混合驱动水下滑翔器滑翔状态下机翼对滑翔经济性和稳定性的影响进行了数值模拟研究，正交试验表明，其滑翔经济性受机翼弦长影响最为显著；滑翔器的稳定性受机翼的后掠角影响最为显著；对4个具体模型在0°～20°攻角的进一步的数值模拟表明，机翼的位置主要影响滑翔稳定性，对滑翔经济性影响较小．滑翔器在6°左右攻角航行时，具有最大的升阻比．研究为混合驱动水下滑翔器的设计提供了理论指导和参考．

基于反馈增益反步法欠驱动无人水下航行器三维路径跟踪控制

针对欠驱动无人水下航行器的三维空间路径跟踪控制问题.基于虚拟向导建立载体坐标系下的三维路径跟踪运动学误差模型,首先设计跟踪误差反馈增益形式的线性控制项镇定位置跟踪系统,避免计算虚拟控制量导数的复杂形式;然后基于反步法设计动力学控制器,通过合理的选择控制器参数消除了部分非线性项,简化了虚拟控制量的形式,同时避免了采用传统反步法设计控制器时存在的奇异值问题,基于李雅普诺夫稳定性理论设计鲁棒反馈补偿项,保证了闭环跟踪误差系统状态的一致最终有界.仿真实验表明本文设计控制器能够精确跟踪三维曲线路径,并对外界干扰具有较好的鲁棒性.

欠驱动水下航行器三维直线航迹跟踪控制

针对欠驱动水下航行器的三维直线航迹跟踪控制问题,基于虚拟向导建立了三维航迹跟踪误差模型,采用反馈增益反步法设计航迹跟踪控制器,通过合理选择控制器参数消除了部分非线性项,与传统反步法设计相比简化了虚拟控制量的形式,并且能够避免基于视线法设计导引律时存在固有奇异值点的问题.基于李雅普诺夫稳定性理论分析了闭环跟踪误差系统的渐近稳定性.最后将设计的控制器应用于欠驱动水下航行器进行仿真实验,结果表明控制器具有精确的三维航迹的跟踪能力,并对外界干扰和模型参数不确定性具有较好的鲁棒性.

通信时延下欠驱动自主水下航行器编队控制

研究了通讯时延情况下的欠驱动自主水下航行器(A u tonom ous U nderw ater V eh icle)编队控制问题。考虑到水下通讯所面临困难,将编队问题分为两个部分:一部分为单个AUV的路径跟踪控制问题,保证每个AUV沿各自的期望路径航行;另一部分为路径参数的协同控制问题,保证每个AUV期望的路径参数能够实现同步,进而达到编队控制的目的。提出的控制方案仅需要AUV之间交互路径参数信息,通讯需求量小,满足实际工程需求且能够允许一定的通讯时间延迟。数值仿真结果验证了控制算法的有效性。

基于轨迹线性化控制方法的全驱动自主式水下航行器轨迹跟踪控制

基于轨迹线性化控制(Trajectory Linearization Control,TLC)方法研究了全驱动自主式水下航行器(AUV)的轨迹跟踪控制.利用微分方程奇异摄动理论中的时标分离思想,将全驱动AUV的轨迹跟踪控制系统分成快、慢回路,分别基于轨迹线性化思想设计出快、慢回路控制器;利用Lyapunov稳定性理论对闭环控制系统进行了稳定性分析,通过AUV爬升转弯过程的仿真验证了该控制方法的有效性.

欠驱动无人水下航行器三维轨迹跟踪的反步控制

针对欠驱动无人水下航行器(underactuated unmanned underwater vehicles,UUVs)三维轨迹跟踪控制问题,本文有别于传统反步法中基于视线法设计姿态角误差变量的思路,提出了一种定义虚拟速度误差变量的反步控制器设计方法,能够有效避免传统反步法控制律设计时存在的奇异值问题,简化了传统反步法复杂的计算过程;设计了欠驱动UUV的三维轨迹跟踪控制器,给出了系统的误差方程,基于Lyapunov稳定性理论证明了系统在定常外界扰动下的鲁棒性和稳定性;仿真结果表明本文提出的UUV三维轨迹跟踪反步控制方法收敛、有效,能够实现欠驱动UUV对时变三维轨迹的精确跟踪控制.

水下自主航行器微光照相机驱动系统设计

提出了基于水下自主航行器的EMCCD微光照相机驱动系统设计方法。首先,分析了EMCCD输出噪声的组成,根据暗电流噪声和时钟感生噪声的关系,给出了常规功率驱动的器件选型原则和设计方法;讨论了使用图腾柱电路实现电子倍增驱动的功耗问题,并给出了改进方案;使用高频系统时钟实现了驱动相位和脉宽的微调,解决了驱动时序波形幅度重叠率不足的问题;最后,给出了使用CCD201-20搭建的水下相机结构和实验结果。实验结果表明,系统产生的常规驱动信号频率为时钟频率10 MHz,串行转移时钟的幅度重叠率优于50%,并行转移时钟的幅度重叠率优于90%,驱动信号的相位调整精度为18°,脉宽调整精度为5 ns,驱动波形稳定、平整,电子倍增驱动信号高电平可调,功耗相较于优化前降低7.2%。本文所介绍的EMCCD驱动系统设计方法充分兼顾了驱动系统的噪声、体积和功耗问题,可以广泛应用在水下微光成像乃至常规CCD领域。

全驱动式自主水下航行器有限时间编队控制

为了研究了全驱动式自主水下航行器有限时间编队控制问题。针对多AUV编队控制过程中的可变通信拓扑情形,首先通过预定义AUV间的通信距离,将多AUV系统建模为通信拓扑可变系统。其次对AUV三维运动学和动力学进行建模;为实现多AUV编队控制的有限时间控制,提出一种有限时间的二阶一致性控制算法,对AUV的速度(线速度和角速度)和位置(平移和角度)进行一致性协同控制,利用一致性协同后的速度量和位置量以及各AUV的动力学方程,求解各AUV的推力和推力矩。最后通过对可变通信拓扑情形下的多AUV编队控制进行了数值仿真,验证了所提有限时间编队控制策略的有效性。

基于Kane方法的波浪驱动水下航行器动力学模型建立

基于多体系统动力学理论,定义并选取适当的坐标系和广义坐标,对波浪驱动水下航行器多体系统进行运动学分析,得到各部分的速度和加速度;基于Kane方法进行动力学分析,计算各部分的偏速度和偏角速度,进而求得系统的广义主动力和广义惯性力。将系统的广义惯性力和广义主动力代入Kane方程中,得到波浪驱动水下航行器多体系统动力学模型。在受力分析中,不仅考虑了惯性力、惯性力矩、重力和浮力以及流体动力,还重点分析了波浪力和多体系统的附加质量力。对波浪驱动水下航行器进行了运动仿真,仿真结果显示航行器航行稳定,所建立的模型是有效的。

基于模糊PI混合控制的自主水下航行器推进系统

对转永磁无刷直流电机驱动对转螺旋桨主要应用在自主水下航行器推进系统中,通过调节对转电机转速就可以实现自主水下航行器速度的无级调节。在研究对转永磁无刷直流电机数学模型的基础上,提出一种外环转速环采用模糊PI混合控制,内环电流环采用PI控制的双闭环调速方法。仿真结果表明,与外环、内环均采用PI控制的双闭环调速方法相比,该方法在稳定运行突加负载的情况下,具有转速变化小,稳定性好的优点,取得了较好的控制效果。

浮力驱动式水下航行器设计参数分析

对浮力驱动水下航行器几组主要设计参数航行速度与航行角、净浮力的关系,航行器速度和航行器体积及压载系数的关系进行了研究。结果表明:浮力驱动式水下航行器的航行角在35.26°时,航行器速度最快;航行器的速度与净浮力的平方根成正比,净浮力越大速度越快;航行器的速度与压载系数的平方根成正比,压载系数越大速度越快,航行器速度与航行器的(VT)^(1/6)成正比。关键词:浮力驱动;水下航行器;净浮力;受力分析;

混合驱动水下滑翔器滑翔效率及优化研究

续航力与水平速度均是水下滑翔器的重要性能指标。文章以单位重量滑翔器、单位水平速度所耗功率作为滑翔效率的评价指标,给出了混合驱动水下滑翔器滑翔参数最优解寻求的数学方法。文中以一典型滑翔器为例,针对其多种工况(无桨、桨不转、桨随动和桨工作),利用CFD预报了所需的流体动力系数,然后分别给出了它们最优的滑翔参数。研究结果表明,该评价指标物理意义明确,优化方法简单,对工程设计具有很高的参考价值。

基于高度计信息处理的欠驱动无人水下航行器地形跟踪控制

针对高度测量信息不准确情况下的欠驱动无人水下航行器(UUV)地形跟踪控制问题,结合欠驱动UUV的固有特性,提出了一种基于反步法的非线性海底地形跟踪控制方法。首先,针对高度计受海水温度和盐度等海洋环境的干扰而导致高度测量信息不准确的问题,采用卡尔曼滤波器对高度测量信息进行处理,提高高度信息的准确性;然后,基于Lyapunov稳定性理论和反步法设计了非线性地形跟踪控制器,并证明了控制系统的渐近稳定性;最后,分别通过仿真实验和海试实验对所提出的方法进行验证。结果表明,基于高度信息滤波处理的欠驱动UUV非线性地形跟踪控制器能够实现精确的地形跟踪控制。

基于混合网格的水下航行器系统航行特性研究

水下航行器系统是包含主体、推进系统和其余附体的整体结构,其航行特性研究是水下航行器系统设计的重要内容。为研究水下航行器系统的航行性能和航行时的表面压力特征和流场特性,基于CFD方法,使用重叠网格和滑移网格相结合的混合网格技术对某自主研发水下航行器系统模型进行直接模拟。结果表明:水下航行器系统在不同大小的推力作用下,会表现出不同的航行性能,通过推力-速度曲线可以插值得到不同推力下的航行点;水下航行器在来流速度不同时其所受表面压力大小不同,但分布规律相似,且具有相同的流场分布特性。

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。

使用混合代理模型的自主式水下航行器藕节壳体多目标优化

针对已有藕节壳体结构优化设计均为简化模型,且没有对内部有效体积进行分析的问题,文中使用非支配排序遗传算法(NSGA-II)和由径向基函数、支持向量回归函数、Kriging函数构建的混合代理模型,对自主式水下航行器(AUV)的切弧连接藕节壳体和环肋加强藕节耐压壳体进行了浮重比和内部有效体积的多目标优化,UG二次开发程序实现了藕节壳体的参数化建模,并在满足强度和稳定性要求的前提下,准确有效地获得该多目标优化问题的Pareto前沿,可为AUV壳体优化设计提供参考。