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原文传递作业型ROV多变量位姿鲁棒控制方法研究

论文题名：	作业型ROV多变量位姿鲁棒控制方法研究
关键词：	水下运载器;作业型ROV;液压推进系统;多变量位姿;轨迹跟踪;鲁棒控制
摘要：	水下运载器扩展了人们在海洋资源开发、海洋科学研究等方面的工作能力。深海作业型ROV由于具有较强的作业能力和广泛的用途，近年来得到了更多的关注。因此本文以作业型ROV的动力定位和轨迹跟踪鲁棒控制为研究课题，以浙江大学自主研发的海王一号(Hydra Work-I ROV)液压驱动作业型ROV为研究对象。使用多变量非线性鲁棒控制方法，系统地解决了具有较强不确定性的作业型ROV的多变量位姿鲁棒控制问题。本文所提出的控制方法不仅适用于一般的作业型ROV，还适用于其它种类的水下运载器。　　本文共分为八章，各章内容概括如下：　　第一章，介绍了水下运载器，特别是作业型ROV的发展历史和现状，综述了水下运载器导航定位技术现状及现有技术的不足，详细回顾了水下运载器的各种控制方法，最后阐述了本课题的研究意义、研究难点和研究内容。　　第二章，介绍了海王一号ROV的开发背景、总体结构设计及各分系统组成。　　第三章，液压推进系统作为执行器，其性能对最终的控制性能有着直接的影响。因此需要对液压推进系统的非线性特性进行研究。本章通过理论分析与试验研究，获得其较精确的非线性特性，并对其非线性进行校正补偿，以尽可能减小非线性特性对系统控制性能的影响。本章首先对ROV液压推进系统进行了简单介绍，然后详细描述了海王一号ROV液压推进系统的组成结构。紧接着详细分析了系统非线性和不确定性所产生的根源，并通过台架试验获得系统较精确的稳态和动态模型。在此基础上，提出了液压推进系统非线性补偿方法，并通过试验研究证明了该方法的有效性，使液压推进系统的控制精度有了较大的改善，从而满足控制系统设计的要求。最后通过水池试验，验证了海王一号ROV的定艏和定深控制的性能。试验结果表明所使用的推进系统校正补偿方法是有效的，证明海王一号ROV具有较好的基本控制性能，为后续的先进鲁棒控制方法研究提供了良好的试验平台。　　第四章，针对作业型ROV小范围动力定位时高精度位置、姿态、速度和角速度测量较困难的问题。提出使用Passvie Arm(PA)六自由度位姿测量传感器系统，实时测量ROV的六自由度位置、姿态、速度和角速度。本章首先介绍PA的研究背景，详细介绍了PA的设计方法，然后针对海王一号ROV的小范围动力定位和轨迹跟踪任务，设计了一套由七个旋转关节组成的PA测量系统。通过使用机器人运动学的相关知识，详细推导了基于PA的ROV位置姿态计算方法。在此基础上，进一步推导了基于PA的ROV速度和角速度递推计算方法。最后通过台架试验，对PA的测量精度进行了验证。证明所设计的PA系统，可以满足作业型ROV动力定位时高精度全状态测量的要求。　　第五章，详细分析了水下运载器的运动与受力情况，建立了一般水下运载器的非线性数学模型，通过合理假设与简化，获得了便于控制器设计的作业型ROV非线性数学模型。建立了海王一号ROV的六自由度非线性仿真模型，用于控制算法的仿真研究。　　第六章，针对存在复杂外干扰、参数不确定性以及强非线性耦合特性的作业型ROV的多变量位姿鲁棒控制问题，对于具有全状态测量能力的作业型ROV，提出了一种基于自适应Backstepping和滑模控制技术的全状态反馈多变量非线性鲁棒控制方法。该方法通过使用Lyapunov稳定性理论，证明了当存在参数不确定性和未知有界外干扰时，系统是局部渐近稳定的，并且保证跟踪误差是局部渐近收敛的。针对作业型ROV在动力定位时的特点，对系统六自由度模型进行了合理的简化，得到了更便于控制器设计的ROV四自由度模型。通过与传统PID控制器的对比仿真研究表明，所提出的控制方法具有比常规PID控制器更好的控制品质和鲁棒性能。在水池试验中，使用PA位姿测量系统提供控制器所需要的全部状态量，实现了ROV的高性能小范围轨迹跟踪控制，证明了该控制算法的有效性。经过与常规PID控制器的对比试验研究，进一步证明了所提出控制算法的优越性。　　第七章，针对仅具有位置、姿态测量的作业型ROV多变量位姿鲁棒控制问题，提出了一种基于自适应平滑增益滑模观测器和多变量积分Backstepping控制器的多变量非线性鲁棒输出反馈控制方法。使用基于Lyapunov稳定性理论的设计方法保证了观测器-控制器系统的稳定性。设计的自适应平滑增益滑模观测器，克服了常规滑模观测器中所存在的高频颤振现象，从而实现了较平滑的速度估计。理论证明，当存在系统模型不确定性和未知有界干扰时，速度估计误差仍然将以指数速率收敛至较小的球域内。设计的多变量积分Backstepping控制器，可以保证系统的跟踪误差收敛至较小的球域内。通过对比仿真研究表明，当系统存在较大参数不确定性、较强未知外干扰和测量噪声时，所提出的控制方法具有较强的鲁棒性能，可以很好地跟踪参考轨迹，获得较好的动态性能和稳态控制精度，其综合性能优于常规PID控制器。在水池试验中，使用PA传感器提供控制器所需要的ROV位置和姿态信息，实现了ROV的高性能小范围轨迹跟踪控制，从而证明了控制算法的有效性和优越性。　　第八章，总结归纳了本文的主要研究工作、研究结论和创新点，介绍了今后所需要继续开展和完善的工作。
作者：	朱康武
专业：	机械电子工程
导师：	顾临怡
授予学位：	博士
授予学位单位：	浙江大学
学位年度：	2012
正文语种：	中文