(机械电子)基于滚动时域控制的水下机器人运动控制方法研究-毕业论文答辩PPT

1、基于滚动时域控制的水下机器人运动控制方法研究 机械与动力学院导 师： 答辩人： 学 号： 专 业：机械设计制造及其自动化日 期： 年 月 日123456 研究背景 水下机器人简介AUV模型建立滚动时域介绍控制器设计仿真分析Contents目录123456研究背景水下机器人简介AUV模型建立滚动时域介绍控制器设计仿真分析Next Part第1部分1 研究背景 问 题 措 施 需 求 用水下机器人探索海洋陆地资源枯竭，海洋资源丰富提高水下机器人控制精度123456研究背景水下机器人简介AUV模型建立滚动时域介绍控制器设计仿真分析Next Part第2部分2 水下机器人简介n水下机器人分类n国外研究

2、现状国家代表机器人最大潜深美国 REMUS6000 6000米日本R2D4100米2 水下机器人简介n我国研究现状n常用控制方法滑模控制模糊控制自适应控制鲁棒控制变结构控制神经网络控制S 面控制容错控制起始时间： 20世纪80年代中期主要研究机构： 中科院、哈工大代表机器人： CR-01123456研究背景AUV介绍AUV模型建立滚动时域介绍控制器设计仿真分析Next Part第3部分3 AUV模型建立坐标系建立空间运动方程平面运动简化空间受力分析求AUV数学模型p 坐标系的确定 固定坐标系 E- 运动坐标系 O-xyzp 六自由度运动p 运动投影名称矢量x轴y轴z轴速度Vuvw角速度pqr外

3、力FXYZ外力矩MKMN运动x轴y轴z轴平移进退横移升沉转动横倾纵倾回转3 AUV模型建立空间六自由度内其中: 222222(-)-()(-)()(-)-()(-)()(-)-()(-)()(-)xyzzyGyzGxyzGxzyxyzxxzGxzGyzxGyxzyzxyyxGxyGxzyGzyxzxxzyyzmVVVxyzFmVVVyzxFmVVVzxxFIIIwwwww www wwwwwww www wwwwwww www wwww w+=+=+=+(-)(-)(-)(-)(-)(-)(-)(-)GzxyyxGyzxxzxyyxzzxGxyzzyGzxyyxyzzyxxyGyzxxzGxy

4、zzyzmyVVVzVVVMIIImzVVVx VVVMIIImx VVVyVVVMwwwwww wwwwwww wwwww+=+=+= 坐标系建立空间运动方程平面运动简化空间受力分析求AUV数学模型m： AUV的质量Gx、Gy、Gz： AUV的重心坐标Ix、Iy、Iz： AUV的转动惯量Vx、Vy、Vz、x、y、z： 六个自由度的（角）加速度Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz： 作用在AUV上的作用力（矩）3 AUV模型建立 忽略横倾运动 水平面运动、垂直面运动 忽略侧移运动 坐标系建立空间运动方程平面运动简化空间受力分析求AUV数学模型3 AUV模型建立p 水动力 粘性流体水动力 惯性流体

5、水动力p 重力、浮力sincos sincos coscos coscos sincos cossincos cossinxyzxGGyGGzGGFGFGFGMyGzGMxGzGMxGyGqqgqgqgqgqgqqgq= - D= D= D=D-D=D-D=D-D(0)( ,)( ,)( ,)( ,)( ,)XXYYrZZeKKrdMMeNNrCCCCp rCCqCCp rCCqCCp rbdadbd dadbd=铫 = = 11122226333354445555562666xyzzyxzyyzgVgVgVggVgVlll wll wl wll wll w= -= -= -= -= -= -

6、坐标系建立空间运动方程平面运动简化空间受力分析求AUV数学模型3 AUV模型建立 本文中，我们只研究水下机器人的水平面运动。查阅文献，将相关参数代入运动方程中，得到水下机器人在水平面运动的线性离散时不变系统：其中，初始状态设置为 ，并且 和 应该受以下区域的约束：在这里，性能指标为11 0.22120.02880 0.77880.2212iiixxu10.3Tiuix0.50.5iu1.51 01.50.30 10.3iiGxx3440TTTkjkjkjkjkfkjQRxxuuxQ x坐标系建立空间运动方程平面运动简化空间受力分析求AUV数学模型123456研究背景AUV简介AUV建模滚动时域

7、介绍控制器设计仿真分析Next Part第4部分4 滚动时域理论介绍模型预测滚动优化p 功能 根据对象的历史信息和未来输入预测其未来输出反馈校正4 滚动时域理论介绍模型预测滚动优化p 含义 反复在线进行优化反馈校正4 滚动时域理论介绍模型预测滚动优化p功能 防止模型失配或环境干扰引起控制对理想状态的偏离p特点 只实现当前时刻的控制作用 到了下一采样时刻重新优化 反馈校正123456研究背景AUV简介AUV模型建立滚动时域介绍控制器设计仿真分析Next Part第5部分5 控制器设计n双模滚动时域控制简介 椭圆外部，应用滚动时域控制 状态进入到椭圆，控制方法转为线性状态反馈控制5 控制器设计n

8、基于双模滚动时域控制的控制器设计离散时不变系统二次线性性能指标引入定义在原心椭圆求最优解kikkikkikkikkikCxyBuAxx1rkNkkNkfTrkNkkNkNikikTkikrkikkikTrkikkikkikrkkxxQxxRuuxxQxxuxxJ10, xQxRxfTnQf,limlimlimlimgGxguuuii*,kkUu001123456研究背景AUV简介AUV模型建立滚动时域介绍控制器设计仿真分析Next Part第6部分6 仿真分析n 仿真结果 图6-1 状态位置 图6-2 x和y方向位置 图6-3 控制力由图6-2可知采用双模控制策略后，系统是鲁棒均方稳定的，椭圆不变集随着性能指标上界的不断减小而不断压缩，验证了系统的稳定性。 图6-4 k时刻期望成本 图6-5 总成本6 仿真分析图6-4至6-5中的成本函数，成本上界都是单调减小的，也说明系统是稳定的。6 仿真分析n 结果分析 由上述仿真结果表明，双模滚动时域控制由于提前将各种输入状态输出约束考虑进去，控制精度高，且能耗小。n 工作展望1、可以考虑在模型的建立过程中添加干扰因素，不对运动进行简化，得到更接近实际的运动模型。2、以后设计控制器的时候可以考虑加入一些扰动，进一步进行仿真分析。 献给所有以各种方式关心