论文欠驱动式水下监测机器人航路点轨迹跟踪控制技术是关于本文可作为相关专业航路论文写作研究的大学硕士与本科毕业论文杭州航路集团有被骗吗?论文开题报告范文和职称论文参考文献资料。
摘 要：欠驱动式水下剖面监测机器人要实现对预定剖面轨迹航路点的跟踪观测,其航路点的轨迹跟踪控制技术是实现高精度剖面观测的关键.研究思路为：首先采用物理建模和实验验证方式对水下机器人进行动力学建模；其次通过设计分布式控制器A和控制器B以及两者之间的通信协议,实现对通信时延的实时计算；然后通过扰动前馈和逐次逼近转换方法,设计能有效抑制脐带缆等外扰动并解决通信网络时延的网络化前馈-反馈最优轨迹跟踪控制方法.其中为实现平滑控制通过设置跟踪误差阈值和控制切换面,设计一种能实现无抖振航路点轨迹跟踪的分段复合有限时间跟踪控制方法.研究步骤为机器人动力学建模、前馈-反馈最优跟踪控制和分段复合有限时间跟踪控制算法设计以及控制方法的仿真和实验验证,分步进行并验证设计方法的有效性,为欠驱动式水下剖面监测机器人的轨迹跟踪控制技术提供理论依据.
关键词：欠驱动式；水下剖面监测机器人；轨迹跟踪；有限时间跟踪控制
中图文献号：TP273；U69 文献编码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-8256.2016.01.006
1 引言
海洋环境监测在开发海洋资源、预警海洋灾害、保护海洋环境等方面都有着重大意义[1,2].海洋监测技术发展已进入立体综合监测阶段.航空、航天遥感技术在一定程度上解决了从空中到海洋表层的实时和准实时的同步、大面积观测问题,海面观测台站、海上锚泊资料浮标、水下潜标、坐底式的海床基观测系统等,可解决某一特定海区的定点观测,调查船和漂流浮标虽然可做断面、剖面观测,但又无法对特定区域,例如危险区域、敏感区域进行接近观测[3-5].而海洋水下剖面观测平台,则成为填补观测空白的手段之一.AUV已广泛应用于海洋科学考察和海洋开发领域,在观测海洋内部过程中的作用日益显著.在自主水下航行器（AUV）的开发和利用方面已有众多的科研机构参和,如美国伍兹霍尔研究所、大西洋大学、法国海洋开发研究院、俄罗斯希尔绍夫海洋资源研究院等国际知名科学院所都开展了AUV的研究和开发工作.伍兹霍尔海洋研究所（WHOI）在研究水下观测平台方面一直得到美国海军方面的经费支持,技术水平一直处于领先水平.其中,“远程环境监测装置”（Remote Environmental Monitoring Units, REMUS）是最有代表性的水下观测平台,是一种低成本的海洋环境监测和调查的多任务作业平台.其研究得到美国海洋大气局和海军研究局的经费支持,目的是为了支持长期水下生态学环境观测（LEO-15）和自动海洋采样网络（AOSN）[6,7].俄罗斯科学院远东分院目前正在研究利用太阳能作动力的自主式水下移动平台.该平台的突出特点是它在上浮时,太阳能电池板浮出水面,将太阳能转化成电能为蓄电池充电,并完成观测数据的发送、指令接收及定位[2].中科院沈阳自动化所开发了可用于大范围水下环境监测的水下滑翔机器人,并成功进行了湖上试验.上海交通大学海洋工程国家重点实验室开展了深海水下机器人的产业化研制[8]；哈尔滨工程大学智能水下机器人重点实验室借助其在水下机器人领域的综合优势,开展了AUV水下组合导航、动力定位以及智能控制方法的研发[9]；西北工大近年在AUV的协同导航和协同控制研究方面取得了大量的科研成果[10,11]；浙江大学海洋工程系开展了深海水下移动传感网和水下运载器的研发,并成功的进行了海试；中国海洋大学信息学院开展了水下传感器网络组网实验和自主水下航行器的SLAM导航和协调控制方法的研究[12-14]；中国科学院海洋研究所研制了用于近海海洋环境检测的轻型遥控机器人,可以检测腐蚀电位、温度、深度等16个参数[9],北京大学工学院、北京理工大学自动化学院和北航自动化学院在水下多智能体系统的协调控制方法方面进行了深入的研究,等.我国对海洋特定区域的海洋环境断面、剖面观测仍然存在一定的技术局限,一是水下监测设备的采样能力不足,监测频率低,机动监测能力不足.二是是仅限于海水表面的监测,对一定深度的海水缺乏动态监测手段；或者仅限于某些固定海域的垂直剖面监测,缺乏精细化监测/观测能力.海洋水下剖面观测机器人平台,成为填补观测空白的手段之一.水下剖面监测机器人要实现对预定剖面轨迹航路点的跟踪观测,其轨迹跟踪控制技术是实现高精度剖面观测的关键技术,但由于海流扰动等因素的影响,很难精确控制机器人的位置和姿态[15,16]；另一方面,水下机器人自身蓄电池能量有限,综合考虑外界洋流影响、航路点跟踪精度和驱动能量消耗的前馈-反馈最优跟踪控制技术是需要解决的关键科学问题之一.
图1为项目组设计的水下剖面监测机器人控制器[17-19],包括置于船载控制箱内的控制器1和置于水下机器人仪器舱内的控制器2, 二者通过脐带电缆进行通信,控制器1实时采集船载控制器控制面板的遥控控制指令,并将控制指令按照自定义的通信协议进行编码和组装成帧,经由通信模块发送到水下控制器2；水下控制器2实时接收船载控制器1发送的协议帧,并进行协议解码,按照协议格式解析出控制指令,进而控制继电器驱动板上的对应的继电器的开关动作,从而实现对水下机器人运动位置和姿态的控制[20].该控制器可以实现手动操控机器人和机器人的快速自动轨迹跟踪控制的自动切换.水下机器人控制器一般采用集中控制方式,仅在水下机器人仪器舱内设有一个控制器,通过多芯脐带电缆将岸上的控制命令发送到水下控制器进行采集,摇杆状态和电缆的芯数相对应,这样会增加脐带电缆的重量,对水下机器人的姿态控制带来了外界不利影响.供电方式多采用船载220VAC电源直接供电方式,通过脐带电缆为水下机器人供电,水下机器人仪器舱内设有电压转换模块；但由于交流电会对通信质量带来影响,使通信误码率较高,水下推进器出现误动作的几率较高.另外,若船载直接转换为水下控制器电路板所需的工作电压,则电压在传输过程中由于电容效应会出现压降,达不到控制板电路板的正常工作电压.控制器之间较多采用485通信方式,其传输距离多能达到1000米左右,由于受到水下扰动的影响,其传输距离进一步缩短；485通信方式难以满足剖面监测具有的大范围、高深度监测的特点.一般情形下光缆通信方式传输距离能达到几公里,而且光缆通信质量好,误码率极低,质量轻,对水下剖面监测机器人带来的扰动小,有利于机器人的精确控制,但较长的通信距离会引入较大的控制时滞[21,22],导致控制性能下降甚至发散,不能准确跟踪预定的航路点[9].如何克服时滞对控制性能的不利影响,设计高速通信网络情形下的带有时滞的、能有效抑制洋流影响的网络化最优跟踪控制方法是需要解决的关键科学问题之一.为了减小机器人到达预定航路点的时间,研究有限时间的轨迹点跟踪控制方法[23,24],设计一种快速无抖振的水下剖面监测机器人控制器是需要解决的关键问题之一.
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参考文献：
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