摘 要

随着水下探测作业以及水下资源开发技术的不断发展，水下航行器得到了广泛的应用。而拥有体积小巧、活动范围广、电源充足、可操作性强等诸多优点的有缆遥控水下航行器（ROV），成为水下作业任务的主要工具。

水下航行器在执行海洋探测、海底管路维修等任务时，需要具备稳定的悬停能力和回旋特性，但海洋中例如负载变化、静水压力、流体力、重力浮力、海浪干扰等诸多因素对水下航行器的作业造成很大影响，这就要求控制系统具有优越的自适应调节能力。通过自身传感器系统实时反馈的数据，及时调整姿态角度、运动速度和运动深度等，达到精确控制的目的。增强系统稳定性和抗干扰能力，提高水下工作的快速性和准确性。

本文的研究对象为小型六推式ROV，依据水下运动规律推导出其空间运动学方程；同时对ROV工作时受到的外力作用进行分析，建立ROV的动力学方程；针对其运动情况，推导出艏向控制和定深控制模型。

结合PID控制和模糊控制方法，设计了用于ROV艏向控制和定深控制的模糊PID控制器，依靠MATLAB/Simulink来进行仿真实验，验证了模糊PID控制算法应用于ROV的可行性和适用性。证明了基于模糊PID算法设计的控制器在ROV悬停控制方面的有效性。

关键词：ROV；PID；MATLAB/Simulink；控制技术

Abstract

With the continuous development of underwater exploration and underwater resource development technology, underwater vehicles have been widely used. The ROV, which has many advantages such as small size, wide range of motion, sufficient power supply and strong maneuverability, has become the main tool for underwater operation.

Underwater vehicles need to have stable hovering ability and gyration characteristics when they are carrying out tasks such as ocean exploration and submarine pipeline maintenance. However, many factors in the ocean, such as load change, hydrostatic pressure, fluid force, gravity buoyancy, wave interference, etc., have a great impact on the operation of underwater vehicles, which requires the control system to have superior adaptive regulation ability. Through the real-time feedback data of its own sensor system, the attitude angle, movement speed and movement depth are adjusted in time, so as to achieve the purpose of precise control. Enhance the stability and anti-interference ability of the system, improve the rapidity and accuracy of underwater work.

The research object of this paper is a small six push ROV. According to the law of underwater motion, the spatial kinematics equation is deduced. At the same time, the external force acting on the ROV is analyzed, and the dynamic equation of ROV is established. According to its motion, the model of heading control and depth control is deduced.

At the same time, the PID control and fuzzy control methods are studied, and the fuzzy PID control algorithm for heading control and depth control of small ROV is designed. The simulation experiment is carried out by Matlab / Simulink, and the feasibility and applicability of the fuzzy PID control algorithm in small ROV are verified. The effectiveness of the controller based on Fuzzy PID algorithm in hover control of ROV is proved.

Key words: ROV；PID；Matlab/Simulink；control technology

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 国外水下航行器发展 3

1.2.2 国内水下航行器发展 3

1.3 论文研究内容 4

第2章 水下航行器建模 5

2.1 引言 5

2.2 小型ROV的结构 5

2.3 空间运动学模型 6

2.3.1 坐标系选取 6

2.3.2参数表示 6

2.3.3 坐标变换 8

2.3.4 平移运动方程 10

2.3.5 旋转运动方程 11

2.4 动力学模型 13

2.4.1 水动力分析 13

2.4.2 重力与浮力 18

2.4.3 推力 18

2.5 数学模型简化及参数确定 19

2.5.1 水平面和纵垂直面运动模型 20

2.5.2 艏向控制和定深控制模型 20

2.5.3 系统参数设定 21

2.6 本章小结 22

第3章 ROV艏向与深度控制方法研究 23

3.1 引言 23

3.2 模糊PID控制器设计 23

3.2.1 模糊PID控制结构 23

3.2.2模糊控制器组成 24

3.2.3 模糊化和精确化 25

3.2.4 模糊控制规则 27

3.3 模糊PID控制仿真 28

3.3.1 仿真模型 28

3.3.2 艏向控制仿真 30

3.3.3 定深控制仿真 31

3.4 本章小结 32

第4章 总结与展望 33

4.1 全文总结 33

4.2 研究展望 33

参考文献 34

致谢 35

第1章 绪论

1.1 研究目的及意义

联合国发布的21世纪议程中指出：“海洋是全球生命支持系统的一个基本组成部分，也是一种有助于实现可持续发展的宝贵财富。”广阔的海洋中储藏着丰富的生物、能源、矿产、化工等难以估量的自然资源，是人类社会可持续发展的巨大财富，也是目前最现实、最具开发潜力的战略空间^[1]。随着社会的不断发展以及人类在海洋认识与利用能力方面的不断提高，海洋的价值被越来越多的国家所重视。成为各国展开竞争的新领域。

我国目前已熟练掌握部分海洋资源的开发技术，但这还远远不够，我国拥有近300万平方公里的海洋面积，丰富的海洋资源蕴藏在这广袤的海域中，等待着我们去探索和利用。据统计，在我国海域中，已记录在册的水生物目前就高达20200多种，约占全球海洋生物的十分之一。与此同时，还有大量的矿物资源，目前已探明的海底天然气和石油储量分别达到了8万亿立方米和200多亿吨。此外还蕴藏有金、银、铜、磷、锰、锌等各种金属矿物质^[2]。