跨介质多旋翼潜空两栖航行器运动控制研究
发布时间：2023-03-19 03:41
跨介质潜空两栖航行器是在空气环境和水体环境中同时具备航行能力,并可以实现介质交界面跨越运动的一类新型装备。其空潜一体化的两栖作业能力,符合“海洋强国”的战略思想,满足“空天地海”全方位立体化探测的任务需求,具有重要的研究价值和广阔的应用前景。本文以多旋翼形式的潜空两栖航行器为研究对象,对其各任务剖面的运动控制问题展开研究。论文的主要研究内容如下:(1)布局方案设计与系统建模:结合四旋翼飞行器及遥控水下机器人(ROVs)的布局优势,提出了一种“四气四水”混合多旋翼驱动的两栖航行器布置方案并阐述了工作原理。基于空间坐标变换规律推导得到其运动学模型,基于其受力分析结果采用Newton-Euler法推导得到其动力学模型,并采用伪逆法制定了合理的推力分配方案,为后续运动控制研究奠定了理论基础。(2)单介质运动控制研究:由于水、空单介质运动在数学模型上具有相似性,本文将其统一成单介质工况来研究,并为其设计了基于非线性干扰观测器的指令滤波反步控制器,干扰观测器用以观测外界干扰及系统建模误差,指令滤波器用以产生虚拟控制量的指令信号及其导数,从而避免对其进行复杂的解析求导,仿真试验表明该控制器对三维轨迹...
【文章页数】：113 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 选题背景与意义
1.2 跨介质潜空两栖航行器概述
1.2.1 定义和分类
1.2.2 任务剖面分析
1.2.3 技术特点分析
1.3 跨介质多旋翼潜空两栖航行器的研究现状
1.3.1 国外研究现状
1.3.2 国内研究现状
1.4 本文研究内容与技术路线
1.5 本章小结
第2章 两栖航行器系统建模
2.1 两栖航行器的系统结构与工作原理
2.1.1 性能指标
2.1.2 航行器的布置方案
2.1.3 航行器的工作原理
2.2 航行器运动学建模
2.2.1 参考坐标系及运动参数定义
2.2.2 坐标转换
2.3 航行器动力学建模
2.3.1 航行器刚体动学模型
2.3.2 航行器静力分析与建模
2.3.3 航行器流体动力分析与建模
2.3.4 航行器六自由度动力学模型
2.4 航行器推进系统建模
2.4.1 螺旋桨推力模型
2.4.2 推进系统建模
2.4.3 推力分配方案设计
2.5 航行器模型参数
2.6 本章小结
第3章 单介质运动控制器设计
3.1 引言
3.2 传统反步控制基本理论
3.3 单介质运动非线性轨迹跟踪控制器设计
3.3.1 航行器单介质运动控制问题描述
3.3.2 非线性干扰观测器设计
3.3.3 指令滤波反步轨迹跟踪控制器设计
3.3.4 闭环系统稳定性分析
3.4 仿真试验分析
3.4.1 仿真参数选取
3.4.2 空间三维轨迹跟踪性能分析
3.4.3 NDO观测性能分析
3.4.4 指令滤波控制器响应分析
3.4.5 推力分配情况分析
3.5 本章小结
第4章 跨介质运动控制器设计
4.1 引言
4.2 跨介质运动模型的简化
4.2.1 跨介质运动模型的简化
4.2.2 垂直出入水条件下介质物理参数的等效处理
4.3 跨介质运动控制器设计
4.3.1 跨介质运动控制策略设计
4.3.2 高(深)度子系统全状态约束轨迹跟踪控制器设计
4.3.3 水平方向定点动力定位控制器设计
4.4 仿真试验分析
4.4.1 全状态约束轨迹跟踪控制器性能分析
4.4.2 跨介质分层双回路轨迹跟踪控制器性能分析
4.5 本章小结
第5章 全局双模式混合切换控制策略研究
5.1 引言
5.2 全局双模式混合切换控制策略研究
5.2.1 全任务剖面的运动特点分析及工作空间划分
5.2.2 全局双模式混合切换控制系统设计
5.2.3 全局切换控制系统稳定性分析
5.2.4 全局双模式混合切换控制策略的算法实现
5.3 仿真试验分析
5.3.1 仿真参数选取
5.3.2 全局双模式混合切换控制系统性能分析
5.4 本章小结
第6章 样机试制与试验研究
6.1 试验样机设计与实现
6.1.1 总体架构方案设计
6.1.2 样机元件选型与匹配
6.1.3 地面站软硬件型号及设置
6.2 样机试验测试
6.2.1 推进器性能测试
6.2.2 整机作业性能测试
6.3 本章小结
第7章 总结与展望
7.1 全文总结
7.2 工作展望
参考文献
作者简介及在学期间所取得的科研成果
致谢
本文编号：3764479
【文章页数】：113 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 选题背景与意义
1.2 跨介质潜空两栖航行器概述
1.2.1 定义和分类
1.2.2 任务剖面分析
1.2.3 技术特点分析
1.3 跨介质多旋翼潜空两栖航行器的研究现状
1.3.1 国外研究现状
1.3.2 国内研究现状
1.4 本文研究内容与技术路线
1.5 本章小结
第2章 两栖航行器系统建模
2.1 两栖航行器的系统结构与工作原理
2.1.1 性能指标
2.1.2 航行器的布置方案
2.1.3 航行器的工作原理
2.2 航行器运动学建模
2.2.1 参考坐标系及运动参数定义
2.2.2 坐标转换
2.3 航行器动力学建模
2.3.1 航行器刚体动学模型
2.3.2 航行器静力分析与建模
2.3.3 航行器流体动力分析与建模
2.3.4 航行器六自由度动力学模型
2.4 航行器推进系统建模
2.4.1 螺旋桨推力模型
2.4.2 推进系统建模
2.4.3 推力分配方案设计
2.5 航行器模型参数
2.6 本章小结
第3章 单介质运动控制器设计
3.1 引言
3.2 传统反步控制基本理论
3.3 单介质运动非线性轨迹跟踪控制器设计
3.3.1 航行器单介质运动控制问题描述
3.3.2 非线性干扰观测器设计
3.3.3 指令滤波反步轨迹跟踪控制器设计
3.3.4 闭环系统稳定性分析
3.4 仿真试验分析
3.4.1 仿真参数选取
3.4.2 空间三维轨迹跟踪性能分析
3.4.3 NDO观测性能分析
3.4.4 指令滤波控制器响应分析
3.4.5 推力分配情况分析
3.5 本章小结
第4章 跨介质运动控制器设计
4.1 引言
4.2 跨介质运动模型的简化
4.2.1 跨介质运动模型的简化
4.2.2 垂直出入水条件下介质物理参数的等效处理
4.3 跨介质运动控制器设计
4.3.1 跨介质运动控制策略设计
4.3.2 高(深)度子系统全状态约束轨迹跟踪控制器设计
4.3.3 水平方向定点动力定位控制器设计
4.4 仿真试验分析
4.4.1 全状态约束轨迹跟踪控制器性能分析
4.4.2 跨介质分层双回路轨迹跟踪控制器性能分析
4.5 本章小结
第5章 全局双模式混合切换控制策略研究
5.1 引言
5.2 全局双模式混合切换控制策略研究
5.2.1 全任务剖面的运动特点分析及工作空间划分
5.2.2 全局双模式混合切换控制系统设计
5.2.3 全局切换控制系统稳定性分析
5.2.4 全局双模式混合切换控制策略的算法实现
5.3 仿真试验分析
5.3.1 仿真参数选取
5.3.2 全局双模式混合切换控制系统性能分析
5.4 本章小结
第6章 样机试制与试验研究
6.1 试验样机设计与实现
6.1.1 总体架构方案设计
6.1.2 样机元件选型与匹配
6.1.3 地面站软硬件型号及设置
6.2 样机试验测试
6.2.1 推进器性能测试
6.2.2 整机作业性能测试
6.3 本章小结
第7章 总结与展望
7.1 全文总结
7.2 工作展望
参考文献
作者简介及在学期间所取得的科研成果
致谢
本文编号：3764479
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