基于PID的水下航行器悬停控制研究开题报告

1.研究目的及意义（含国内外的研究现状分析）

1.1 研究目的及意义

联合国发表的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。”海洋覆盖着地球面积的71％，是一个巨大的天然宝库。海水总量占全球总水量的97％，海水资源可谓取之不尽。鱼类产品与肉类、豆类并列构成人类三大蛋白质供应源。海底蕴藏着全球1／3以上的石油和天然气，蕴藏着上万亿吨含锰、镍、铜、钴等多金属的锰结核矿。海洋还有可再生的动力资源。如波浪能、潮汐能、温差能等等。总之，海洋资源十分丰富。它已成为人类开发的新目标，伴随着经济的发展，以及人类认识海洋、利用海洋能力的提高，海洋的价值被越来越多的国家所重视。也是各国展开竞争的新领域。

虽然目前已经熟练掌握部分海洋资源的开发技术，但这还是远远不够的，中国作为一个世界大国，拥有300万平方公里的海洋面积，海洋资源已经有部分开发，包括南海与东海油气田，目前已经熟练掌握部分海洋资源的开发技术，但这还是远远不够的，我们仍需要发展科学技术，挺进深海，更好的实现国家的繁荣复兴，在国际社会上拥有更崇高的地位。因此，自主式水下航行器技术，作为人类探索、开发、利用、发展海洋的全新手段，必须得到发展，自主式水下航行器技术自上世纪研究以来，在世界各发达国家已经取得了成果，其形式多样，根据所完成任务的繁简不同，也拥有不同的构造。

经过长期的发展，自主式水下航行器已经能够执行一些海洋开发勘探任务。其用途多样，具有各种外形结构，最大的特点就是无需人工操控，可搭载GPS、AHRS、声纳等各类传感器，拥有导航算法，可在水下自主航行，避障，实时规划最优路径，完成水纹、地貌采集，而且根据其用途，工作深度可以从水下几十米至水下几千米之间，重量也从几十千克至几百千克，重量轻、工作深度浅的自主式水下航行器可以在近海湾工作，投放及回收方便，具有港口安防、科学观测、水产养殖等用途，而大重量、工作深度大的自主式水下航行器具有续航能力强，工作周期长，利于深海地貌观测、资源探测。综上所述，自主式水下航行器发展具有非常重要的意义。

目前自主式水下航行器的技术发展已经相当成熟，但是由于海洋环境的复杂及广阔，现在的技术还是远远不够的，这就要求技术上更加完善成熟。

运动控制系统一直是自主式水下航行器的核心模块，运动控制系统的稳定决定着所能完成任务的难度，运动控制系统大多是在特定体系结构和框架基础上建立的，针对一种体系和框架就需要特定的运动控制系统。自主式水下航行器在水下执行海洋探测、海底管路维修、海洋打捞等工作时，需要水下航行器具备稳定的悬停能力和回旋特性，但海洋的复杂环境对水下航行器造成了众多因素的影响，包括负载变化、重力浮力、流体力、静水压力、海流、海浪干扰，因此其动力学模型几乎无法确切表达，难以找到一种通用而且有效的控制方法，这就要求控制系统具有优越的自适应调节能力。

完成上述目的，需要通过理论概述、模型分析、水动力学研究和软件仿真，抽象出动力学模型，并加以验证和改进，满足水下航行器实际应用中航迹跟踪和运动状态保持等需求，使其在运动过程中，通过自身所载的传感器系统实时反馈，对运动速度、深度以及姿态角度进行调整，实施精确控制。增强稳定性和抗干扰能力。提高水下工作的快速性和准确性，并尽量加大作业深度。

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制器具有通用性强与鲁棒性好的优点，所以在己有的各种控制手段中，它仍占有重要地位，具有很强的生命力。

综合考虑，自主式水下航行器采用了鲁棒性较强的PID控制算法，使其运动控制系统与PID控制算法相结合，稳定可靠地实现自主式水下航行器在应对各种复杂因素条件下的悬停控制。

1.2国内外研究现状

1.2.1 国外自主式水下航行器发展

近几年，随着计算机、网络通信、集成电路、应用材料、智能控制等技术的不断进步，自主式水下航行器技术已经取得了很大的发展，各发达国家高校、科研机构先后研制了多种商业型自主式水下航行器及军事自主式水下航行器，在水产养殖、科学探索、战争中发挥了重要的作用，自主式水下航行器技术在美国、法国、英国、德国等西方发达国家都得到了全面推广，取得显著效果。

日本加拿大美国等国家，都有专门的机构和高校中的国家实验室从事着自主式水下航行器的研究和开发。一些专业性质很强的协会和机构，例如：IEEE海洋工程协会、IEEE机器人和自动化协会、海事技术协会以及美国海军研究生院和日本东京大学水下机器人应用实验室，也在致力于推动自主式水下航行器技术的深入发展和进步。下面介绍几款工作较稳定的、典型的自主式水下航行器。

图1.1自主式水下运载器ARIES 图1.2自主式水下运载器GAVIA

美国海军研究生院的自主式水下运载器研究中心（Center forAutonomous Underwater Vehicle Research of Naval Postgraduate School）设计了多款自主式水下航行器，最典型的就是具有探测和识别水下目标的ARIES，如图1.1所示，该款自主式水下航行器不但可以独立作业，还可以作为多自主式水下航行器系统的协调控制中心和网络数据通讯中转站，适用于机群作业探测，具有非常重要的意义。

GAVIA是由冰岛Hafmynd公司研制的自主式水下航行器系列，如图1.2所示，是一款完全功能模块化的自主式水下航行器，在实际使用时，用户可以在数分钟极短时间内完成功能模块更换，迅速地对自主式水下航行器传感器进行重新配置和电池更换。GAVIA结构紧凑小巧，拥有高达水下2000米的惊人深水工作能力，以及完全智能、成本投入小、易于投放和几乎没有任何限制的适应性，具有整体功能完全模块化、集成叶片控制单元、水面的超远距离通信、自由配置传感器等特点。

图1.3水下航行器OdysseyIV图1.4水下航行器Iver2

美国麻省理工学院(MIT-Massachusetts Institute ofTechnology)开发的Odyssey系列自主式水下航行器，如图1.3所示。重量25公斤，长2.6米、宽1.5米，高1.3米，最高时速1.8米/秒，是一款操作性强，易于配置的自主式水下航行器，这款自主式水下航行器凝结了实验室团队多年的设计和实验经验，拥有光滑、流线型的外形，使其具有更高的能效、工作深度及速度，双纵向机身推进器及双旋转推进器的配合可以提供更加精确的姿态控制。

美国OceanServer公司生产的Iver2是目前市场占有率最高的自主式水下航行器。如图1.4所示，根据用户的需要，目前提供两种型号：Iver2-580-S标准型自主式水下航行器和Iver2-580-EP扩展型自主式水下航行器。其可以在海水和淡水中使用，主要用途包括海洋勘探、环境监测、搜索和回收、调查和常规数据的收集等。该款自主式水下航行器选用碳纤维管作为主体材料，最大工作深度100米，可连续工作24小时，最大航速1.3米/秒。

1.2.2 国内自主式水下航行器发展

国内对自主式水下航行器的研究起步较晚，但发展速度很快，已取得很多标志性的成果，大部分研究都由高校承担，由于科学技术研究与商业应用脱节，致使自主式水下航行器应用不广泛，所以不能很好地推进技术的进步，只是依靠国家支持是远远不够的。下面就主要介绍下国内取得的主要成果。如图1.5所示，1994年时，由中国科学院沈阳自动化所、中国船舶工业总公司702所、中科院声学所、哈尔滨工业大学、上海交大等多家研究机构耗时四年，国家“863计划”重点研制任务的“探索号”水下自主机器人研制成功，水下工作深度可达1000米，活动半径23公里，能在指定海域完成搜索目标任务的同时,记录数据和声纳图像，对出事目标进行观测、拍照和录像，自动回避障碍，具备水声通讯能力，将需要的数据和图像传至水面监控台上显示。

图1.5探索号水下自主机器人 图1.6 CR-02水下自主机器人

如图1.6所示为沈阳自动化所研制的CR-02自主式水下航行器，该水下自主机器人已经在水下完成多次任务，技术成熟，达到商业化水平，下潜深度能达到6000米，具有在深海海山区较复杂地形中爬坡、避障、摄像、照相和微地貌测量等功能。

2.研究的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

2.1 研究内容

主要是为自主式水下航行器设计运动控制系统，了解自主式水下航行器现状，包括其发展、趋势、技术难题、运动控制系统体系和主要控制算法；其次介绍水下航行器的服务平台，包括其机械设计、控制体系结构、硬件系统及软件系统框架。在航行器结构的基础上，设计基于PID算法的运动控制器，先通过数学推导其空间运动方程，利用MATLAB软件对其进行运动仿真；最后在仿真验证之后，提供运动控制系统实现方案。

2.2 研究目标

了解自主式水下航行器的工作特点和控制要求，掌握PID控制的基本原理和控制思想，通过空间运动方程组建立模型，利用MATLAB软件进行验证，最终设计一种运动控制系统，包括算法仿真和具体实现方案。从而实现水下航行器的悬停控制。

2.3 技术方案及措施

（1）阐述自主式水下航行器的整体框架，包括软硬件系统，重点描述运动控制系统构造。

（2）利用公式推导出水下航行器的空间运动方程组，建立数学模型，利用PID控制器对其进行控制，通过MATLAB软件进行参数整定和验证仿真。

（3）实现航行器运动控制系统的软件系统。

（4）进行运动控制系统实际实验。通过实验，来验证系统的可靠性、稳定性。