（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）自主式水下机器人智能控制.pdf

哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。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 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：墨玉盐 日期：0 8 年7 月侈日 哈尔滨t 稃大学硕+ 学位论文 1 1 引言 章绪论 海洋是生物资源、能源、水资源、金属资源的战略性开发基地，是能够 对我国经济与社会发展产生直接、巨大支撑作用的，最现实、最有发展潜力 的战略空间。对海洋进行广泛的、全面的和深入的开发必将成为我国在2 1 世纪的发展主题。作为人类探索海洋和开发海洋的助手水下机器人，特 别是智能水下机器人将在这一领域显示它们多方面的用途。 水下机器人的发展始于载人潜水器，世界上第一艘有实用价值的载人潜 水器是美国人威廉别贝在1 9 3 4 年研制的。在此后的一段时间里，载人潜水器 的潜深及操纵性能都有了很大的提高，但其应用范围仍仅限于海洋观察。7 0 年代世界范围的石油危机很大程度上促进了潜水器的飞速发展，开发了大量 的无人遥控的潜水器( r o v ) ，已经完成海底勘查、电缆铺设、油气管道检查 等工作。目前，r o v 技术已经比较成熟，相应的工业产品也比较多，人们渐 渐的把目光转向下一代的潜水器智能水下机器人( a u v ) 。 智能水下机器人是将人工智能、自动控制、模式识别、信息融合与理解、 系统集成等技术应用于传统的载体上，在无人驾驶的情况下自主地完成复杂 海洋环境中预定任务的机器人。在智能机器人之前，机器人的发展已经历了 两代【l 】，为智能机器人的研究打下了深厚的技术基础，积累了丰富的经验； 近几年来，以神经网络和模糊控制为主的人工智能技术有了重大的进展，传 感器、控制、驱动及新材料等技术有了很大的进步，为智能机器人的发展提 供了坚实的技术基础；随着人们物质文化水平的提高，需要机器人成为人类 的助手和伙伴，由此形成了推动智能机器人发展的社会基础，使开发智能机 器人成为可能。目前，国外的发达国家正在投入很大精力解决水下智能机器 人的关键技术，如：复杂海洋环境下的智能控制、目标识别、信息融合与理 解、多水下机器人协调作业和系统集成技术等等。 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 1 2 无人潜水器的分类与主要用途 无人潜水器又可分为以下四类1 2 i ：拖曳式潜水器，系缆式无人遥控潜水 器( r e m o t e l yo p e r a t e dv e h i c l e ，简称r o v ) ，无缆式无人遥控潜水器 ( u n m a n n e du n t e t h e r e dv e h i c l e ，简称u u v ) ，无人无缆潜水器( a u t o n o m o u s u n d e r w a t e rv e h i c l e ，简称a u v ，也称为智能水下机器人) 。 其中拖曳式潜水器被拖在母船后面，作为潜水器表面所安装的各种传感 器组的承载平台。拖曳式潜水器主要用于军事目的和科学研究，主要用作观 察识别定位、搜索、细致测绘、取水样、放射性测量等。在科学研究方面， 主要用作地质、地球物理方面的研究以及大面积的搜索和水质分析、生物取 样、地质取样，生物测定、锰结核的观察和研究。 第一艘遥控式水下机器人( r e m o t e l yo p e r a t e dv e h i c l e ，r o v ) 1 9 5 3 年 就研制成功了，之后的2 0 年中发展缓慢。上世纪7 0 年代后，由于海洋工程 和近海石油开发的需要，遥控式水下机器人才得到了迅速发展，目i j 已发展 到上千艘。俄罗斯在这方面具有较高声誉，较为著名的有a p p a r a t 、s k a tg e o 、 r o b b i n 等。 无人无缆水下机器人( u n m a n n e du n d e r w a t e rv e h i c l e ，u u v ) 主要用于 军事目的，完成海洋传导性、温度和压力剖面测绘。在科学研究方面，主要 用作活动的水声平台，兼作水下程序控制系统的研究【3 i 。目前在工业上应用 较少。斯坦福大学开发的水下机器人d t t e r ( o c e a nt e c h n o l o g yt e s t b e d f o re n g i n e e r i n gr e s e a r c h ) 的目的是使无人、无缆水下机器人成为科学和工 业界在开发海洋中常用的一种工具。 自主式水下机器人( a u t o n o m o u su n d e r w a t e rv e h i c l e ，a u v ) 又叫智能 水下机器人，是随着计算机技术、通信技术、人工智能的发展而出现的新型 智能化的水下机器人，是近几年水下机器人发展的主要方向1 4 1 。加拿大用5 年的时间开发了t h e s e u sa u v ，用于铺设北冰洋中冰层覆盖下的海底光缆， 也可以用于远程调查等；英国在1 9 9 5 年开发了一部用于海洋科学( 海流、温 度等) 研究的a u t o s u b - 1a u v ，到1 9 9 9 年，已经在英国沿海完成了1 7 9 项工 2 哈尔滨：1 ：程人学硕十学何论文 程和科学使命。此外，美国海军研究生院的p h o e n i x 和a r i e s ，以及麻省理 工学院的o d y s s e y 都对自主式水下机器人的研究和应用做出了有益的尝试。 1 3 国内外研究现状和发展趋势 1 3 1 国外研究现状 国外海洋技术发达国家，都对水下智能机器人( a u v ) 的研究与开发予以 很大关注与投入1 5 1 一【7 1 。 美国在微小型水下智能机器人方面进行了深入的研究和开发，典型的研 究成果有美国海军研究生院的p h o e n i xa u v 和性能更优越的a r i e sa u v ，主 要用于研究智能控制、规划与导航、目标识别等技术；麻省理工学院的智能 机器人o d y s s e yi i 主要用于海冰下的检测和标图；斯坦福大学的o t t e r 的 研究目的是使其成为科学和工业界在开发海洋的一种常用工具；美国的新罕 布什尔州自主水下系统研发所与俄罗斯远东科学院水下技术问题研究所联合 开发出太阳能自主水下机器人，其计划的最终目的是开发一艘具有超过一年 续航力的太阳能自主水下机器人。 利用仿生技术研究的体积小、噪声低、推进效率高、隐身性能好和造价 低的微小型水下a u v ，将在未来水下战争、海洋开发中具有不可替代的广泛 应用前景。例如，美国c s d r o p c r 实验室模仿黄鳍金枪鱼的形态和游动方 式研制了涡流控制无人潜器v c u u v 。 美国海军装备的发展动向代表着世界海军的技术发展方向，他们将主要 的精力和研究工作重点放在解决重要技术方面。美国人从长远角度的理解以 及借用已突破的关键技术，绕过影响应用的相关技术( 如能源，水下通讯， 水下导航等) ，尽快将研究成果投入使用，以完成现在的设备难以胜任的特 殊任务，从中可以取得宝贵的实用经验，展示这些系统不可取代的作用和未 来特殊的应用前景。 美国海军目前还正在计划开发一种称为“曼塔( m a n t a ) 的具有高度自 治能力的智能式水下机器人，并估计到2 0 3 0 年可以投入使用。该水下机器人 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 可由洛杉矶型潜艇携带，能够协助潜艇进行水雷侦察、电子战和在潜艇本身 无法达到的水域收集情报等任务，从而大大地扩展了潜艇的作战范围，特别 是增加了潜艇的近岸作战能力。由于取消了标准鱼雷管，每艘潜艇可以同时 携带多艘“曼塔 ，在敌方反潜平台和武器的防区之外发射。发射之后，“曼 塔 将隐蔽地驶向作战水域，由于自身带有多种传感器、武器和电子对抗设 施，一般情况下，“曼塔 能够独立地完成作战任务。 美国海军研究生院( n a v a lp o s t g r a d u a t es c h 0 0 1 ) 的海军官员和科学家们 正在对所设计和建造的水下机器人进行着积极而广泛的研究，包括控制系统 技术、人工智能、科学可视化和系统集成中的基础研究等，具体的项目任务 包括使命规划的研究、水下导航、自主避碰、实时作业控制、再规划、目标 识别、平台的动力运动控制和后使命数据分析等。他们的研究目的是将水下 机器人用于军事上的水雷战，如浅水雷区标图与灭雷( 引爆) 等。目前，美 国海军研究生院已经研制成功三个型号的水下机器人，分别为n p s a u v 1 、 p h o e n i xa u v 和a r i e s 。其中，p h o e n i x 有8 英尺长及中性浮力，排水量为3 8 7 磅，整体尺寸和形状象只小海豚，续航力为2 - - , 3 小时，最大速度约2 节。 新研制的a r i e s 水下机器人约3 米长，重量2 2 5 公斤，续航力为4 小时， 最大速度为3 5 节。它的一个特殊用途是作为多水下机器人环境中的移动通 讯服务器，在水面的指挥一控制站和水下的多机器人之间传输信息。 加拿大1 9 9 4 年研制出用于铺设北冰洋冰层覆盖下海底光缆的t h e s e u s a u v ；同年完成7 0 k w h 铝氧燃料电池的a u v ，使续航能力达到3 6 小时；1 9 9 7 年又进行第二代燃料电池试验，使续航力进一步提高。 日本以东京大学生产技术研究所为主，开发出t w i n b u r g e r l & 2 、 p t e r o a l 5 0 & 2 5 0 等多个型号的观测型a u v ，主要用于观察海底电缆的铺设 和维护情况。近年来又研制出具有很强水下探测能力的“淡探和“t r i d o g l 等小型水下智能机器人。 英国南安普顿国家海洋地理中心于9 5 年开始开发a u t o s u b 系列a u v ， 主要用于海洋科学研究和军事应用。自从a u t o s u b i i 在2 0 0 4 年的南极冰 面下试验中丢失后，他们研制了a u t o s u b i i i 型水下机器人，并正在计划研 4 哈尔滨一i ：稃人学硕十学位论文 宣置宣i 置j 皇皇| | 葺皇i i i i i 宣罩宣萱葺宣暑宣宣暑暑罩暑i i ；i 置i 暑i 暑暑暑宣宣j 皇置皇宣皇宣宣暑宣置；置置i 置暑暑i i 暑昌暑昌暑昌暑昌暑暑昌i 皇 制a u t o s u b i v 型水下机器人。a u t o s u b 水下机器人已经在海洋中总共航 行了1 0 0 0 0 公里，执行科学考察的任务。 丹麦在a u v 的研究中也是一个很出色的国家，其研制出的典型a u v 是 m a r i a n l 5 0 和m a r i d a n 6 0 0 ，已作为产品在世界市场上出售。 1 3 2 国内研究现状 与世界其他国家一样，我国的水下机器人研究也是从立足军事需求起步 的。八十年代初，我国在水下机器人技术方面几乎是一片空白。1 9 8 2 年中国 科学院将试制“海人一号”列为院重点项目。试制“海人一号”的目标是探 索这一领域的基本学科原理和验证单元技术。1 9 8 5 年1 2 月“海人一号 在 大连海域首航试验获得成功，以后又多次试验，证明达到海军提出的综合指 标，下潜2 0 0 米抬起指定目标物。“海人一号 是我国第一台自行研制成功 的水下机器人样机，在我国发展水下机器人事业中起到奠基石作用。 在1 9 8 7 年，国家人工智能专家组提出了关于研制一台无人无缆自主式潜 水器试验船作为中国a u v 技术开发的关键性起步的建议。七五期间，国家 将“海洋和水下机器人技术开发”列为重点科技攻关课题。沈阳自动化所承 担了中型水下机器人产品的攻关任务，在引进美国的r e c n o i v 技术的基础 上，突破关键技术，进行创新设计，在七五期间完成了三台中型水下机器人， 有两台打入国际市场，并获得了一致好评。 “探索者”号a u v 由沈阳自动化所、中船重工7 0 2 所、中科院声学所、 哈尔滨工程大学和上海交通大学等单位联合设计，其使命是在大范围内搜索 和观察水下失事目标。装备的观察设备有侧扫声纳、成像声纳、照相机、电 视摄像机和录像机等，装备的导航设备有超短基线定位声纳、计程仪、g p s 等。主要传感器有深度计、多普勒测速声纳、罗盘、陀螺和避碰声纳。该a u v 于1 9 9 4 年已在南海进行了首次试验，其潜深可达1 0 0 0 m 。沈阳自动化所与俄 罗斯合作研制的预编程式a u vc r 0 1 与c r 0 2 潜深可达6 0 0 0 m 。目前，沈阳 自动化所的m r c a s 系统在多机器人协作理论研究的基础上开展多机器人协 作的实验研究。 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 以哈尔滨工程大学为中心，与中船重工7 0 2 所、中船重工7 0 9 所和华中 理工大学共同承担的智能水下机器人，研制目的在于跟踪a u v 的国际先进 水平，突破自主式水下机器人的关键技术，从而提高我国武器智能化技术的 研究水平，目前己取得了优异的成果。这期间，水下机器人的控制研究方面 也陆续有相关文献的公开发表【8 h 1 6 l 。 1 4 智能水下机器人的应用前景及发展趋势 1 4 1 应用前景 智能水下机器人( a u v ) 是英语“自治水下潜器”( a u t o n o m o u su n d e r w a t e r v e h i c l e ) 的缩写。a u v 不配备主线和系缆，这类水下机器人携带能源，依靠自 身的自治能力来管理自己、控制自己，以完成赋予它的使命。 a u v 技术的商业化用途是明显的。许多研究表明，a u v 是一种非常适合于 海底搜索、调查、识别和打捞作业的既经济又安全的工具。与载人潜水器相 比较，它具有安全( 无人) 、结构简单、重量轻、尺寸小、造价低等优点。而 与r o y 相比，它具有活动范围大、潜水深度深、不怕电缆缠绕、可进入复杂 结构中、不需要水面母船支持、占用甲板面积小和成本低等优点。智能水下 机器人( a u v ) 将成为完成各种水下任务的重要工具。例如，在民用领域，可 用于铺设管道，海底考察，数据收集，钻井支援，海底施工，水下设备维护 与维修等；在军用领域则可用于侦察、布雷、灭雷、援潜救生等。 a u v 本身是一个基本的载体，在进一步发展和扩展各种机载设备和工具 以后，a u v 的应用面是很广阔的。海底资源调查的实践表明，a u v 获取的海底 资料非常精确。在海底资源的开采中，a u v 进行设备的维护和修理，运送必 要的器材，进行现场的监视和测量。在未来的水下石油生产系统中a u v 将起 “操作工人 的作用。在海洋石油平台导管架检查、管道检查及维护方面也 将扮演重要角色。在海洋学研究中，它可以用来进行海洋学的各种测量。a u v 可用于海底火山活动的观察、监视，布放和收回仪器，进行海底采样以及进 行各种生物学、水文学的研究等等。 6 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 由于a u v 的活动范围广、体积小、重量轻、噪音低、隐蔽性好，因此在 军事上是一种有效的水中兵器，装载战斗部后可以进行远距离投送；a u v 还 可以用来侦察对方的水下设施，监听对方潜艇活动；用于反水雷，充当诱饵， 配合反潜训练，防险救生等军事活动。 1 4 2 发展趋势 随着海洋经济的发展和军事需求的增加以及水下机器人技术的同渐成 熟，水下机器人的发展方向也越来越明朗。 ( 1 ) 向专业化发展 这是市场和技术的共同需求。一种型式的水下机器人不可能完成所有的 任务，无论是适于高海况的大型水下机器人，还是小型观察型机器人，它们 都将只针对某个特殊的需求，配置专用设备，完成特定任务。水下机器人的 种类会越来越多，分工会越来越细，专业化程度会越来越高。 ( 2 ) 向远程化发展 十几年前美国n a t i o n a ls e ag r a n to f f i c e o fn o a a 和n a v a ls u r f a c e w e a p o n sc e n t e r 就委托卡内基梅隆大学、佛罗里达大西洋大学、派瑞公司、 西屋电器公司共同进行可行性研究，该报告认为，基于当时的通讯、导航、 控制、感知、人工智能、体系结构、环境建模等技术基础，研制航程在5 0 0 海里以上的远程a u v 是完全可行的。法国i f r m e r 的海洋机器人研究所、法国 工业自动化研究所( i n r i a ) 也有类似的远程a u v 计划。 今后，a u v 将向远程化发展，其活动范围在2 5 卜5 0 0 0 公里的半径内。 但是，现在阻碍向远程发展的技术障碍有三个：能源、远程导航和实时通信。 目前正在研究的各种可利用的能源系统包括一次电池、二次电池、燃料电池、 热机及核能源。开发利用太阳能的a u v 是引人注目的新进展，太阳能a u v 需 要浮到水面给机载能源系统再充电，并且这种可利用的能源又是无限的。 ( 3 ) 向智能化发展 增加水下机器人智能行为一直是各国科学家的努力目标。现在智能机器 人的发展取决于如何加强机器人对突发事件的反应能力，这就是机器人真正 7 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 i ii f 的学习能力。有了这种能力，机器人将不是简单地执行人类为其预先编制的 程序，而可以根据实际情况不断积累信息，不断提高行为的准确性。另一个 摆在机器人研究面前的巨大障碍就是如何将不断收集的数据加以整合。一般 来说机器人只会把收集到的各种数据资源传送给人类进行处理，如果能从软、 硬件上实现机器人对于周围环境的三维感应，就可以对各种信息所反映的具 体环境作出判断。但是由于目前的人工智能技术还不能很好的满足水下机器 人增强智能的需要，因此如何将人的智能引入到水下机器人中来，是今后的 一个重要发展方向。 ( 4 ) 向群体化发展 随着人工智能方法、机器人技术以及多智能体系统( m u l t ia g e n ts y s t e m ： m a s ) 理论等研究的深入，如何组织和控制多个机器人来协作完成单机器人无 法完成的复杂任务，在复杂未知环境下实现实时推理反应以及交互的群体决 策和操作，已经成为机器人研究领域的新课题，具有重要的理论和现实意义。 多机器人协同作业，共同完成更加复杂的任务，是机器人技术的发展趋势。 水下机器人将利用智能传感器的融合和配置技术及通过水下网络建立的大范 围通讯系统，建立机器人相互间及机器人与人之问的通信与磋商机理，完成 群体行为控制、监测、管理及故障诊断，实现群体作业。 1 5a u v 控制方法综述 水下机器人的运动控制是其完成制定任务的前提和保障，是水下机器人 关键技术之一。随着水下机器人应用范围的扩大，对其自主性，运动控制的 精度和稳定性的要求都随之增加，如何提高其运动控制性能就成了研究的一 个重要课题。 随着a u v 应用范围的增加，对其自主性的要求也随之增加。而增加a u v 自主性的关键之一就是提高其控制系统的性能。水下机器人的控制问题是水 下机器人技术的一个重要方面，近年来引起了许多控制领域专家、学者的注 意。导致a u v 难于控制的主要因素包括： 水下机器人高度的非线性和时变的水动力学性能； s 哈尔滨丁程大学硕十学何论文 负载的变化引起重心和浮心的改变； 附加质量较大，运动惯性较大，不能产生急剧的运动变化； 难于获得精确的水动力系数； 海流的干扰； 这些因素使得a u v 的动力学模型难以准确，而且具有强耦合和非线性的 特点。由于在水下很好地调整控制增益是很困难的，因此当a u v 因其力学性 能变化和所处的环境发生改变而引起控制性能下降时，要求机器人的控制系 统具有自调节能力。 目前已被采用的a u v 控制方法有：滑动模态控制、p i d 控制、自适应控 制、神经网络控制、模糊控制和s 面控制等。 y o e r g e r 和s l o t i n e l l 7 1 于1 9 8 5 年提出了一种水下机器人的滑动模态控 制器用于控制机器人的轨迹。他们研究了水动力系数的不确定性和忽略相互 耦合所带来的影响。h e a l e y 和l i e n a r d t l 8 1 于1 9 9 3 年将滑模方法用于水下机 器人的控制，他们将系统分成几个无相互作用或弱相互作用的子系统，将某 些关键的运动方程组合起来成为独立的方程组：航向控制方程组、下潜控制 方程组和速度控制方程组。 n a k a m u r a 和s a v a n t l l 9 】于1 9 9 2 年基于运动学方面的考虑提出了一种非线 性的a u v 四自由度( 纵荡、横摇、纵倾、偏航) 跟踪控制方法。他们使用了 系统非完整的特性，未考虑系统的动力学性质。 g o h e e n l 2 0 】等人于1 9 9 0 年提出了一种多变量自适应控制器作为水下机器 人自动驾驶仪，用来克服自动定位时模型的不确定性。 y u h t 2 1 1 和c h o i1 2 2 1 在1 9 9 6 年提出并实现了一种新的多输入多输出自适应 控制器，试验在o d i n 自主式水下机器人上进行。 t a b a i i 【2 3 】等人( 1 9 9 4 ) 研究了一种a u v 混合自适应控制器，并进行了系 统仿真，仿真是时间连续的而控制部分是离散的。 y u ht 2 4 】【2 5 】提出将神经网络控制器应用于水下机器人的控制。在这个控制 器中，他使用了带评价函数的回归自适应算法。这个控制器的特点是系统是 自调整的而且是在线的，没有精确的动力学模型。 9 哈尔滨1 ：程大学硕士学何论文 i s h i i 等 2 6 1 于1 9 9 8 年提出了一种基于神经网络的控制系统自组织 神经网络控制系统( s o n c s ) ，并将它应用于“t w i n b u r g e r ( 一个a u v ) 的 艏向控制，验证了它的有效性。在他们的研究中，采用了一种被称作“虚拟 跟踪”的控制器的快速自适应方法以改善s o n c s 耗时的自适应处理过程。 1 9 9 4 年，d e b i t e t t o 2 7 1 研究了一种用于u u v 深度控制的1 4 个规则的模 糊逻辑控制器。t s u k a m o t o 等【2 8 1 对只有一个推力器的a u v 实施位置和速度控 制，通过试验研究了四种不基于模型的控制系统：在线神经网络控制器、离 线神经网络控制器、模糊逻辑控制器和基于非回归的自适应控制。 2 0 世纪8 0 年代以后，一些欧美发达国家在水下机器人的研究中，所采 用的控制方法主要是滑模控制方法。近些年来在a u v 的控制方法中，较多的 是将各种控制方法综合考虑的控制方法，如：模糊神经网络控制【2 9 】、基于遗 传算法的模糊控制3 0 1 、基于神经网络的运动预测控制1 3 1 1 等，用各种控制方 法综合考虑的方法以克服各自控制方法的缺点。 1 6 本文研究内容 本文主要研究了以下几方面的内容： ( 1 ) 建立了a u v 的六自由度空间运动仿真模型，并根据实际情况进行了 简化。 ( 2 ) 设计了一个基于模糊原理的改进的s 面控制器，使其参数毛和b 进 行在线调整。 ( 3 ) 采用了改进的资源分配网算法设计r b f 模糊神经网络控制器，使其 规则层的隐节点的个数可以在线调节，能使网络的数据中心值自适应变化， 有较好的自学习能力和优化能力。 1 7 本章小结 本章首先介绍了水下机器人的分类及发展简史，接着阐述了a u v 的国内 外研究现状，然后对水下机器人的控制方法进行了概括性的阐述，最后介绍 i o 哈尔滨ji ：程人学硕十学位论文 了本文主要研究内容。 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 第2 章模糊控制理论及水下机器人建模 2 1 引言 模糊逻辑控制也称为模糊控制，是一种仿人的智能控制方式，它模仿和 升华了人的控制经验与策略并将其体现在控制器中。模糊控制器不依赖于被 控制对象的精确数学模型，易于对不确定性系统进行控制，模糊控制器抗干 扰能力强，响应速度快，并对系统参数的变化有较强的鲁棒性，总之，模糊 控制器是易于控制、易于掌握的较理想的非线性控制器，是一种语言控制器。 由于水下机器人结构的特殊性，很难准确的到其水动力系数，工作环境 是在几米至几百米的水下，受到各种莫名的干扰因素，各个自由度运动的相 互耦合，任务的可变性等等，都表明水下机器人的动力学系统十强非线性、 时变的，同时考虑到水下机器人的自主性与适应性，从改善其工作性能的官 观点来看，自然就考虑到模糊控制器应向着自适应、自组织、自学习方向发 展，使得模糊控制参数或规则在控制过程中自动的调整、修改和改善，从而 使系统的控制性能不断的完善，达到最佳的控制效果。本文以下分别阐述模 糊控制和模糊自适应策略控制的基本理论及控制器的设计。 2 2 模糊控制 2 2 1 概述 美国的控制理论学家扎德( l a z a d e h ) 于六十年代创建了模糊集合理论 ( f u z z ys e tt h e o r y ) ，对特殊的以 0 ，1 区间为论域的模糊真值的研究更深刻 地涉及到模糊数，由于模糊概念本身就是从语言变量、近似推理等应用领域 的需要而提出的，因而，模糊数理论自然地应用在控制当中。1 9 7 2 年z a d e h 把模糊逻辑应用于控制，以此提出模糊控制的基本原理，即采用模糊集合理 论进行统筹考虑的模糊控制器，根据实际系统的输入输出结果，参考现场操 作人员的运行经验，对系统进行实时控制。七十年代英国的e h m a m d a n i 首 1 2 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 次利用模糊数学理论进行蒸汽机和锅炉控制方面的研究，八十年代模糊控制 技术的应用进入了一个全面、深入、硬件专门化的阶段，模糊控制技术有了 飞速发展，并拓展到了其它领域，取得了丰硕成果。模糊控制的研究和应用 一直十分活跃，经历了3 0 多年的研究和发展已经逐步完善，尤其在应用领域 更是成果辉煌。 2 2 2 模糊控制原理及其结构 模糊控制建立的基础是模糊逻辑，它比传统的逻辑系统更接近于人的思 维和语言表达方式，而且提供了对现实世界不精确或近似知识的获取方法。 模糊控制的实质是将基于专家知识的控制策略转换为自动控制的策略。它所 依据的原理是模糊蕴涵概念和复合推理规则。通常它以被控对象输出变量的 偏差e 和偏差的变化率舌作为它的输入变量，而把被控量定为模糊控制器的输 出变量，反映输入输出语言变量与语言控制规则的模糊定量关系及其算法结 构。实际应用中把采集到的控制信息经语言控制规则进行模糊推理和模糊决 策，求得控制量的模糊集合，再经模糊判决得出输出控制的精确量，作用于 被控对象，使被控过程达到预期的控制效果。 图2 1 中，珥是一个单输入单输出被控对象的输入，m 是被控对象的输 出，只是给定量输入，q = s ，一咒是误差。图中虚线部分就是模糊控制器( f c ) ， 它根据误差信号q 产生合适的控制量输出给被控对象。 图2 1 模糊控制器的基本结构 哈尔滨1 ：程大学硕十学位论文 模糊控制器一般由模糊化接口、知识库、模糊推理机、解模糊接口四个 部分组成 3 2 1 。 1 精确输入量的模糊化 模糊化接口接受误差信号e t 和误差的变化率色，经过模糊量化处理变为 模糊量，以便实现模糊控制算法。模糊化接口主要完成以下两项功能： ( 1 ) 论域变换：p ，和亩非模糊普通变量，它们的论域( 变化范围) 是实 数域上的一个连续闭区间，称为基本论域，分别用x 和】，来表示。为了转换 到模糊控制器的内部论域 一1 ，1 上，对输入变量实行正则化。通过模糊控制 器把基本论域变换为模糊控制集论域x 和r 。论域变换后，乞和宣变成了e ， 和吾：。 ( 2 ) 模糊化：论域变换后，e ，和台：仍是非模糊的普通变量，对它们分别 定义若干个模糊子集合，如：“负大 ( n l ) 、“负中 ( n m ) 、“负小 ( n s ) 、“零” ( z o ) 、“正小 ( p s ) 、“正中”( p n ) 、“正大”( p l ) ，并在其模糊控制集论域 上规定各个模糊子集合的隶属函数。输入信号e t 和甸，经论域变换后得到e ， 和茚，再根据隶属函数的定义就可以分别求出e ，和垂：对各模糊集合的隶属 度，如( p ，) ，m ( p ，) 。这样就把普通变量的值变成了模糊变量( 即语 言变量) 的值，完成了模糊化的工作。 2 知识库 知识库中存储着有关模糊控制器的一切知识，它们决定着模糊控制器的 性能，是模糊控制器的核心。知识库又分为两个部分： ( 1 ) 数据库( d a t ab a s e ) 数据库所存放的是所有输入、输出变量的全部模糊子集的隶属度矢量值 ( 即在其论域上按相应等级数离散化以后对应集合的矢量表示值) ，若论域为 连续域，则为隶属度函数。在规则推理的模糊关方程中，向推理机提供数据。 但要说明的是输入，输出变量数据集不属于数据库存放范畴。 ( 2 ) 规则库( r u l eb a s e ) 模糊控制器的规则是基于专家知识或人工操作熟练人员长期积累的经 验，它是安人的直觉推理的一种语言表示形式。其中包含一组模糊控制规则， 1 4 哈尔滨下程大学硕+ 学位论文 即以“i f - t h e n ”形式表示的模糊条件语句，如： 蜀：i f e + i s4 垦：i f e i s4 兄：i fe i s 以a n d 扩i s 最t h e n ”i sg 其中，p 和扩是前面所说的语言变m _ e ，和舌：，4 ，4 ，4b e 的 模糊集合，蜀，垦，或是垂的模糊集合，c i ，c 2 ，g 是z ，+ 的模 糊集合。 3 模糊推理 模糊推理是模糊控制系统的核心。模糊控制应用的是广义前向推理。它 是基于模糊概念，并用模糊逻辑中模糊蕴涵和推理规则获得模糊控制作用， 模拟人的决策过程，从而推导出一个推理结果。 4 解模糊 解模糊可以看作是模糊化的反过程，它由模糊推理结果产生控制的精确 量，作为模糊控制器的输出。解模糊接口主要完成以下两项工作： ( 1 ) 解模糊：真实论域为z ，对z f ：z 7 ( 内部论域) 定义若干个模糊集 合，并规定各模糊集合的隶属函数。模糊推理是在内部论域上进行的，因此 得到的推理结果c 是z 上的模糊矢量，其元素为对材的某个模糊集合的隶 属度。对于某组输入e 和矿，一般会同时满足多个规则( 称为激活) ，因此 会有多个推理结果q ，f 为不同的模糊集合。求u q ，并用某种解模糊算法， j 即可以求得此时的内部控制量g t 。 ( 2 ) 论域反变换：将得到的z z ，进行论域反变换即得到真正的输出， 它仍然是非模糊的普通变量。 q q s s n n e e k h 盈岛 s s 1 1 矿矿 刑 删 哈尔滨1 ：程大学硕十学位论文 2 3 水下机器人运动建模 2 3 1 空间操纵运动方程 载确定水下机器人的空间操纵运动方程之前，我们要了解水下机器人所 受的外力。作用在水下机器人上的力( 矩) 大致可分成两类：一类是所谓的 水动力( 流体动力) 。水下机器人在水中运动，艇体、舵、翼和螺旋桨等推动 周围的水产生运动，同时水对机器人本体也产生反作用力。这种由于水下机 器人运动而引起的水对机器人本体的反作用力称为水动力。水对机器人的这 种反作用力的大小、方向及其分布都取决于水下机器人本身的运动，它反过 来又影响机器人的运动。可见水动力只能与水下机器人的运动一起求得。另 一类是非流体动力，又称为静力，包括水下机器人所受的重力和浮力。令为 由风、浪、流引起的外力与机器人的运动有关，故通常也认为它们是一种流 体动力。 为了问题求解方便，通常作一定程度的简化。就水下机器人的水动力来 说，通常认为机器人在深、广、静水域运动，而不考虑流场边界( 岸、底， 海面) 及流、内波等的影响，只考虑艇体一舵翼一桨的流体水动力。在水下机 器人操纵性研究中，通常把艇体一舵翼一桨作为一个整体，操舵看作为艇体的 形变，而把螺旋桨的水动力分开来研究。这种划分和处理是人为的，是为了 解决问题的方便。由于本文建立运动方程的目的是用于设计控制器，所以在 本文的操纵运动方程中，笔者将艇舵翼一桨的水动力作为一个整体来考虑，而 把艇体的水动力单独考虑。 本文的操纵运动方程是基于“准定常运动 假设而建立的。所谓“准定 常运动”，是指以速度和加速度为标志的物体运动状态。或者说，以无因次 值表示的物体运动速度对时间的所有高阶导数都比运动速度和加速度小得 多。这种运动假定加速度随时间的变化率很小，它的极限状态就是恒定加速 度的运动。可以证明，在流体中，作准定常运动的物体，所受到的水动力只 和运动的当时状态( 即瞬时的速度和加速度) 有关，而和运动的历程无关。 这一结论大大简化了a u v 操纵运动时水动力的确定n 副。 1 6 哈尔滨一r 程人学硕十学位论文 根据刚体动力学理论，水下机器人空间六自由度运动的一般方程如下n 5 l ： 聊【( 疗一v r + w q ) 一x g ( 9 2 + r 2 ) + y o ( p q 一，二) + z g ( + 雷) j = y 聊【( 廿一w p + u r ) 一y o ( r 2 + p 2 ) + z g ( q r p ) + x g ( 印+ ，：) j = 】， 聊【( 谚一u q + v p ) - - g g ( p 2 + 9 2 ) + x g ( r p 一口) + 少g ( ，g + 声) j = z ( 2 1 ) l p + ( 1 ：- i j ，) g ，+ ，卵陟g ( 咖+ 一g “) 一z g ( 廿+ ，一p w ) 】= k l y q + ( i x i z ) r p + m 【z g q + 叼一v r ) 一x g + 一叼) 】= 膨 ，：，：+ ( ，一，：) p q + m i x g o + w e w ) 一y g q + g w 一订) 】= n 其中： r 水下机器人的质量； 彪，乃，r 水下机器人的重心坐标； 厶，、卜水下机器人的质量1 1 1 对纸o y , o z 轴的转动惯量； ，、队眠p 、q 、r 六个自由度的( 角) 速度： 西、帝、咖、p 、口、户六个自由度的( 角) 加速度。 瓜kz 、瓜从卜六个自由度的力( 矩) ； 方程右端瓜只z 、瓜从表示作用在水下机器人上的作用力( 矩) ， 包括：水下机器人受到的重力和浮力等静力、推进器推力、舵的力、翼的力、 水下机器人运动引起的流体水动力和一些环境干扰力等。 对于艇体水动力，根据准定常运动假设，艇体水动力是运动参数“、队 眠1 9 、q 、 z 2 、矽、谛、p 、口、户的函数。在基准点( 通常以速度u 。作匀 速直航) 将艇体水动力脉乐双胍作泰勒展开，略去高阶项，速 度只取n - 阶，加速度项只取线性项，并参考文献 1 5 ，我们对艇体水动力 作相应的简化，最后得到如下的水下机器人的艇体水动力表达式： x h = 【和2 + ，2 + 坼例+ 【托五+ w + g w l + x u u u 2 + v 2 + ，w 2 】( 2 2 a ) 1 7 哈尔滨下稗人学硕十学位论文 = 【t 户+ 巧户+ 0 i 刮p i p l + y m p q + ，q ，】 “k 帚+ k v q + w p + k w ，】 + 【e 扩+ 。印+ _ ，11 ：；l ( 1 ，2 + w 2 ) “2 | i ，i j + 【虼“2 + lz n ，+ _ 琳v 2 + w 2 ) i 】+ w ( 2 2 b ) z h 都乎七z p + z ，+ z r 墨试+ 疆+ z ：r 七z v 荸a + 【7 9 + 刮青i 矿+ w z ) l 2 伽+ 【驴+ 气附叫叫护+ 乒) 1 坪 2 。2 c + 吲叫+ 引舻+ 列2 | 】+ 咿 k h 2 脚多+ k k r + 哳g ，+ k p q p q + 俐p | 】 + 【却印+ k r u r + 郧词“嘞w + k w p w p + k w r w r + 【蜘”2 + 髟z n ，+ 一叫1 ( v 2 + w 2 ) 1 2 i 】+ w 肘2 【尊+ 肘p p p 2 + m r r r 2 + m r p r p + q l g i 枷 + 【m 谛伽+ + 肘 v ，+ m v p v p + m q u q + 1 叫g i ( v 2 + w 2 ) 17 2 p 】 + m 0 u 2 + m w u w + m w | w w l ( v 2 + w 2 ) 2 i 】 + e m i 1 u m m 删w ( v + w 2 ) 1 舵l 】州w v 2 n h2 ，七np 参州p q p q 州q + n r n r i r l 邯 + i n , f , + + n w r w r + n w p w p 州协0 m w + 【即+ n d r + ( v + w 2 ) l 2 l ，】 + n 0 u 2 + n v u v + vv + w 2 ) 1 2 | 】+ w 式中虬，石。，l ，y ：，等都为艇体水动力导数。 ( 2 2 d ) ( 2 2 e ) ( 2 - 2 0 将艇体水动力的表达式( 2 2 ) 代入水下机器人六自由度运动的一般方程 哈尔滨丁挥大学硕十学何论文 式( 2 1 ) ，并将除艇体水动力之外的力表示成n 7 3 ： f e l 。= t xe b ey e 妇ze 娩k 。哑m e i s e n e 1 并考虑到艇体一般都左右对称，所以可以认为y o = 0 0 ， 人六自由度空间运动方程： 轴向力方程： m 如一v r + w q ) 一x g g 2 + ，2 ) + z g ( + 香) 】 = 【x 钾q 2 + x ，r ，2 + x 巾，p 】 + 【x 矗+ x 。v r + x ，岍w q 】 + x 。“2 + x 。，2 + x 。w 2 】+ x 妇 侧向力方程： 得以下的水下机器 ( 2 3 a ) 所【( t w p + u r ) + z g ( q r 一户) + x g ( 印+ 户) 】 = 【e 户+ 匕p + 匕p i p l + 朋+ ，g ，】 + 【k 1 ) + k w + 咿+ 匕w ，】 ( 2 3 b ) 峭妙+ 匕印嘞亩i ( v 2 + w 2 ) m i 帅 “k “2 + y , u v + v 妒+ w 2 ) m i 】+ k w + k 垂向力方程： 埘【( 谛一u q + v p ) - - z g ( p 2 + 9 2 ) + x o ( r p 一口) 】 = 【z 4 q + z 伊p 2 + z 。，2 + z 伊印】 + z 谚谚+ z 。1 ，r + z 叩v p 】 + z q u q + z w i q i w ，l ( v 2 - 4 - w 2 ) i ，2 | 伽 2 氐 + 【z o “2 + z 。u w + z 巾i 叫( 1 ，2 + w 2 ) 2 9 + 吼i “l 叫+ z 。1 w ( v 2 + w 2 ) m l 】+ z 。v 2 + z 。栅 横摇力矩方程： 1 9 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 ，p + ( ，：- 1 y ) q r + m - z g ( p + ，”一p w ) 】 2 等卢芝+ ? 户：ik二qr。+川k+,。qpwq+k+plpl叩ppku p ku rkkv qkw p + k 。w r ， c 2 3 d ， + 【 p + ， + 口廿】+ 【 w + 叩 + 。 】 、7 + 【k 。“2 + k ，u v + k , l , l v ( ，2 + w 2 ) 2 i 】+ k 。v w + k 幽 纵倾力矩方程： l y i l + ( ，一i z ) r p + m 【z g 0 + w g v r ) 一k + p v 一“g ) 】 = 【m 口d l + m 印p 2 + m ，2 + m 伊r p + m q l q q q + 【m 伽谛+ + m 。v r + m 甲v p 】 + 瞰。叼+ m 琳v ：+ w z ) m i q j 2 - 3 e ) + o “2 + m 。删+ m 1 w i 卅( 1 ，2 + w 2 ) 2 1 1 + 【m “1w i + m 。l i e l ，2 + w 2 ) 2 | 】+ m 。v 2 + m 。垃 偏航力矩方程： ，：，+ ( ，y 一，：) p q + m k o p + 缈一p w ) 】 = i n ，f + n p p + n 胛p q + n 矿q r + n ，刊i r r + 【n 。谚+ + 。，w ，+ n 叩w p + n w v q 】 + 叱u p + n ，u r + n i 小l ( v 2 + w 2 ) 2 阳 + 【。甜2 + v u v + v v i v ( 1 ，2 + w 2 ) 2 l 】+ k w + 妇 ( 2 - 3 f ) 由于只对a u v 纵向、横向、垂向和艏向这四个方向上的位置控制进行研 究，所以可以将上述方程简化为四自由度模型： 令x = 【u1 ，w ，】 e = m x 。0 0 0 m k 0 00 m 一乙 0 t i g n 。0 于是得到方程 o m x g 一匕 o iz n ( 2 4 ) 哈尔滨i i 程人学硕十学位论文 脚= 氏+ e ( 2 5 ) 其中e 代表推力器推力( 如果水下机器人安装有舵、翼等其他推进装置，f 代表所有推力的合力。) 对系数矩阵e 求逆，可以得到e ，于是有 x = e q ( 氏+ e ) ( 2 6 ) 这样就得到水下机器人四自由度运动方程的矩阵表达形式。由式( 2 6 ) 可知，若知道