水下机器人运动姿态控制系统的建模及仿真分析开题报告

 2020-02-10 11:02
1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)

1.1背景

海洋蕴藏着丰富的金属矿物、海底油气、可再生能源、各类生物等资源,将是下一个世纪,也是未来人类赖以生存的资源库。研究和合理利用海洋,对于人类经济和社会的发展具有重要意义"。而中国拥有长达18000多千米的海岸线,海域面积达到300多万平方千米,接近我国1/3的大陆面积。在这广袤的海域中,就蕴含了极为丰富的海洋资源。水下自治机器人,简称AUV(Autonomous Underwater Vehicle),也可称之为水下自航行器,是无人无缆的水下自主航行装置,在海洋科学考查、海洋资源勘探开发、水下结构物检修、海底油气管道铺设、海底热液研究和军事应用等方面都有着广泛的用途。AUV具有水下活动范围大、机动性能好、安全、结构简单等优点,已广泛引起各国海洋开发界的重视,成为海洋领域研究的热点和前沿。对水下机器人来讲,精准的水动力模型和先进的控制方法是提高运动性能的两个关键因素。

1.2目的及意义

深海环境复杂,许多情况下人们要求AUV能够在这种(甚至是动态复杂的)局部区域执行任务,比如未知地形的海底环境,这就要求AUV自身有良好的控制性能,对控制技术提出了很高的要求; AUV控制技术已成为控制领域的研究热点。智能型AUV控制涉及到许多方面,如机器视觉、环境建模、决策规划、避障、路径规划、动力学计算、多变量控制、故障诊断、模式识别、导航通信、多传感器信息融合以及包容上述内容的计算机体系等。从控制系统结构的角度来看,AUV的控制可以分为高层控制和底层控制两部分:高层控制主要是指水下机器人根据使命和环境做出的决策和规划;底层控制是指对水下机器人执行机构的控制及传感器信号的初级处理。底层控制是AUV整机控制的基础,它性能的好坏直接影响到AUV总体性能,因此底层控制研究意义重大。

AUV底层控制关键技术主要包括载体设计、体系结构设计、运动控制设计、系统仿真、多传感器信息融合等;其中底层运动控制是AUV控制领域中的研究重点。水下机器人运动控制是水下机器人的底层控制的主要内容,其主要控制参数是位置、深度(从海面到水下机器人重心的垂直距离)、高度(从海底到水下机器人重心的垂直距离)、航行速度、航向角(水下机器人艏向相对于地理北的夹角),主要研究内容包括空间动态点定位控制、空间姿态控制和路径跟踪控制。

1.2国内外研究发展状况和趋势

水下机器人具有极其重要的经济和军事应用价值,国外早在20世纪60年代国外就开始了相关研究。经过半个多世纪的发展,特别是近几年随着材料技术、高效蓄能技术、计算机技术、高精度自动控制技术、水声通信技术、水下导航和定位技术的发展,AUV性能得到质的飞跃;如美国海军03年装备的BPAUV、05年Bluefin系列AUV,低噪声、出色的动力控制以及一流的电磁和惯性导航,是现代智能型AUV的代表。而日本在AUV领域处于世界领先水平,其自主研制的“海沟”号无人潜水器最大下潜深度达到10000米以上,曾精准测量马里亚纳海沟的深度。

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