摘 要

小型海洋航行器是一种能够高效完成各种海洋任务的工具，世界各国对小型海洋航行器均投入了大量的研究。中国虽然起步较晚但是发展迅速，正积极开发具有自主产权的小型海洋航行器。

本文主要对小型海洋航行器的控制系统进行研究。在了解其国内外发展的基础上，设定了具体的工作任务。根据设定的任务设计了控制系统模块及控制模型，其次建立适当的坐标系后，对小型海洋航行器进行受力分析得到其运动方程。根据得到的方程设计了运动控制系统，在该系统中采用了模糊自适应的PID控制，并使用仿真软件对控制系统仿真。此外，本文为小型海洋航行器设计了自救系统，该自救控制系统用来处理其可能遇到的故障和危险。最后对小型海洋航行器控制系统进行了总结和展望。

关键词：小型海洋航行器；运动控制；自救控制系统；PID控制器；仿真

Abstract

A small ocean vehicle is a kind of tool that can finish various kinds of marine tasks efficiently and all the countries of the world had put a lot of research into small ocean vessels. Although China started late in the aspect but its develop vary rapidly, it is actively developing a small ocean navigation device which has its own property rights.

In this paper, its main studied the control system of a small ocean vehicle. On the basis of understanding its development at home and abroad then proposed work plan. According to the set task designed the control system module and the control model. Secondly, establishment of proper coordinate system, then , analyzed the motion force equation of a small ocean vehicle. According to the obtained equations, designed the motion control system ,adopted the fuzzy adaptive PID to control this system. In addition, this paper designs a self rescue system for small ocean voyage, which is used to deal with the trouble and danger that it may encounter. Finally, summarized and Prospect of the control system of the small ocean vehicle.

Key Words：AUV；motion control；Self-rescue System；PID controller；simulation

目录

第一章 绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 小型海洋航行器研究现状 3

1.2.1国外小型海洋航行器研究现状 3

1.2.2国内小型海洋航行器的研究现状 5

1.3 小型海洋航行器的发展方向 6

1.4小型海洋航行器控制系统介绍 7

1.5论文的主要研究内容和结构安排 8

第二章 结构及模块设计 9

2.1背景设置 9

2.1.1线路规划 9

2.1.2航行器的参数 10

2.2航行器系统模块 11

2.2.1推进系统 11

2.2.2信息采集系统 11

2.2.3定位系统 12

2.2.4电源系统 12

2.2.5 传感器介绍 13

2.3控制系统模型 14

2.3.1航向控制模型 15

2.3.2深度控制模型 15

2.3.3航速控制模型 16

第三章 航行器的受力分析及建模 17

3.1 建立坐标系 17

3.1.1地面坐标系和体坐标系的建立 17

3.1.2 转换矩阵的推导 18

3.2航行器的受力分析 21

3.2.1 重力和浮力 21

3.2.2 推力及水动力 22

3.3 六自由度空间动力学方程的建立 23

3.4 垂向运动控制 24

第四章 运动控制系统设计 27

4.1 PID控制 27

4.1.1 PID控制的基本原理 27

4.1.2 深度PID控制仿真 29

4.2模糊控制 32

4.2.1 模糊控制器结构 32

4.2.2 模糊自适应整定PID工作流程 33

4.3 基于行为的控制系统 34

4.3.1 包容式控制系统 35

4.3.2 反应式控制系统 35

4.4 控制系统总体设计 36

第五章 自救控制系统设计 37

5.1 自救控制系统结构 37

5.2 自救控制系统的决策控制 38

5.3 数据采集及决策控制系统设计 39

5.3.1 数据采集子系统框架 39

5.3.2 决策控制系统电路框架 40

5.4 小型海洋航行器中的自救控制系统 41

第六章 总结与展望 42

参考文献 43

致谢 45

绪论

1.1 课题研究背景及意义

伴随海洋资源的开发和海洋科研需求的陆续发展，二十一世纪走向开发海洋的时代，也是人类可持续发展战略的重要一步^[7]。由于受海洋自然条件以及人的生理条件限制。例如，在深海中供氧不足、海水的水压、体力不支等，凭借人自身很难去征服和利用海洋资源。作为水下机器人的一个重要分支－小型海洋航行器（Autonomous Underwater Vehicle，简称AUV），其实物模型如图1.1所示。因为小型海洋航行器环境适应性强、使用方便等很多优点，很多国家对于小型海洋航行器的研究热点也都放在了小型海洋航行器上。

图1.1 小型海洋航行器模型

陆地资源随着人类不断开发而慢慢消耗，人们渐渐向深海资源开发。在这种的环境下小型海洋航行器应运而生，欧美国家开始研究的较早,目前有很多微小型号智能远洋航行器正在服役。

中国是海岸线总长度有3.2 万公里的海洋国家，在这些海洋中大陆海的岸线和岛屿的海岸线各自是1.8 万公里、1.4 万公里。如图1.2中国附近海域图所示，中国附近的海洋有日本海、东海、南海三大海域。管辖海域大约500万平方公里。所以合理开发、保护海洋生物和环境、使用深海资源、报告在海上的自然灾害、保护海洋权利与和平等。