水下機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模與系統(tǒng)辨識(shí)技術(shù)研究.pdf

1、隨著海洋科技水平的提升，自主式水下機(jī)器人（Autonomous Underwater Vehicle/AUV）日益受到重視。在對(duì)AUV的研究中，其準(zhǔn)確而適用的數(shù)學(xué)模型是對(duì)其進(jìn)行精確控制、規(guī)劃、預(yù)測(cè)與仿真的關(guān)鍵問題。由于AUV的數(shù)學(xué)模型中包含各種水動(dòng)力系數(shù)，這些參數(shù)呈現(xiàn)強(qiáng)耦合非線性特征，因此如何獲得準(zhǔn)確的水動(dòng)力系數(shù)成為研究的難點(diǎn)之一。
　　系統(tǒng)辨識(shí)已經(jīng)成為現(xiàn)代數(shù)學(xué)建模的重要手段和現(xiàn)代試驗(yàn)工程的重要技術(shù)，近年來在AUV領(lǐng)域也獲得了較大

2、的成果。對(duì)于某些研究對(duì)象，由于大量的先驗(yàn)知識(shí)與堅(jiān)實(shí)的理論成果，其系統(tǒng)模型的基本結(jié)構(gòu)已經(jīng)有了普遍的標(biāo)準(zhǔn)，那么對(duì)于這類的系統(tǒng)，只需要對(duì)其參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，便可獲得最終的系統(tǒng)模型。
　　一般地，對(duì)于特定的 AUV，會(huì)開發(fā)一套融合了各種應(yīng)用功能的特定的仿真與控制程序。這樣開發(fā)的程序龐大復(fù)雜，不僅編寫不易，要將其修改以適用于其他的AUV時(shí)又是工作繁雜，非常困難。但是這種情況在MOOS（Mission Orientated Operating S

3、uite）上得到了改觀。MOOS平臺(tái)基于模塊化的理念使得該類程序的開發(fā)變得非常簡(jiǎn)潔。
　　本文針對(duì)“海靈”號(hào)AUV改進(jìn)前后的變動(dòng)開展了以下具體工作：
　　（1）建立AUV模型。對(duì)比改進(jìn)前后的“海靈”號(hào)AUV，對(duì)其進(jìn)行建模，獲得六自由度運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)方程。并在此基礎(chǔ)上獲得適用于系統(tǒng)辨識(shí)工作的水平面、垂直面非線性操縱運(yùn)動(dòng)方程。
　?。?）辨識(shí)AUV水動(dòng)力系數(shù)。利用“海靈”號(hào)海試試驗(yàn)的輸入輸出數(shù)據(jù)，采用加權(quán)最小二乘法，從水平

4、面、垂直面的角度對(duì)改進(jìn)后的“海靈”號(hào)進(jìn)行水動(dòng)力系數(shù)的辨識(shí)，并對(duì)主要的水動(dòng)力系數(shù)進(jìn)行分析。結(jié)果表明，不同的數(shù)據(jù)組長(zhǎng)度、不同的加權(quán)因子，其結(jié)果呈現(xiàn)不同的特性。雖然結(jié)果曲線都有不同程度的波動(dòng)，但是總體上趨于平穩(wěn)。
　?。?）建立仿真程序預(yù)報(bào)操縱性。利用辨識(shí)得到的水動(dòng)力系數(shù)，完善“海靈”號(hào)的模型。在 MOOS平臺(tái)上對(duì)特定模塊進(jìn)行重開發(fā)與拼接，獲得仿真程序，并對(duì)“海靈”號(hào)進(jìn)行了操縱性預(yù)報(bào)。預(yù)報(bào)結(jié)果表明了“海靈”號(hào)在不同舵角下的回轉(zhuǎn)特性以及不