水下自主式航行器(AUV)控制系统设计.pdf

A Dissertation Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Science in Engineering The Control System Designof Autonomous Underwater Vehicle (AUV) Graduate Student: Chen Yongliang Major: Control Engineering Supervisor: Zhengping China Three Gorges University Yichang, 443002, April, 2014 万方数据三峡大学全日制专业学位硕士学位论文 I 三峡大学学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果,除文中已经注明引用的内容外,本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明,本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。学位论文作者签名: 日期: 万方数据三峡大学全日制专业学位硕士学位论文 II 内容摘要水下自主航行器(AUV)的研制和应用是我国海洋技术研究的重要组成部分, 它对于海洋的探索、开发和利用,具有重要的理论研究意义和明确的应用背景,同时也具有很高的军事地位。控制系统是航行器设计的核心内容,是航行器执行任务的根本,论文主要从硬件平台和模型搭建、控制器设计仿真等几个方面对航行器控制系统进行论述。硬件方面,论文按控制要求并根据各个设备的特点设计了基于PC104和CAN总线的AUV控制系统,包括设备整体构架、通信系统和供电系统,并对其中一些关键问题进行说明。软件方面,论文首先基于本文要研究的AUV的特点(形状类似于鱼雷,具有一个主推螺旋桨,一对水平舵板和一个垂直舵板),对其进行动力学分析,建立了AUV运动学方程和动力学方程,并根据小扰动理论和方程分组的方法对其进行简化,最终得到AUV在水平面和垂直面运动的简化传递函数。考虑到PID控制器具有参数选择比较困难,不具备适应性等问题,论文先用灰色预测算法对遗传算法进行了改进,使用预测方法来指导遗传算法进行高效寻优,并在此基础上,针对本文研究的AUV设计了基于遗传算法PID的控制器,并分别对AUV 在水平面和垂直面的运动进行了控制仿真。仿真结果表明,改进遗传算法PID具有较好的控制效果和鲁棒性。关键字:水下自主航行器建模灰色预测遗传算法PID 万方数据三峡大学全日制专业学位硕士学位论文 III Abstract Research and application of autonomous underwater vehicle (AUV) is an important part of marine technology in China, it has important theoretical significance and clear application background for exploration, development and utilization of the oceanand it also has a very high military position. As the core content of the ofAUVdesign, Control system is the basic vehicle to perform a task. Thearticlediscusses the AUV control system from the establishmentof the hardware and motion model, controller design and simulation aspects. On hardware,the articledesignedthe overall framework of AUVcontrolsystem based onPC104and CAN busbycontrol requirements, and some ofthe key issueshas beenexplained. Softwareside, the kinematics and dynamics equations