水下機器人運動控制與故障診斷技術研究.pdf

1、二十一世紀是人類開發(fā)和利用海洋的世紀,海洋是人類的發(fā)源地和資源寶庫,對全球的經(jīng)濟和社會發(fā)展起到重要的推動作用?！罢l控制了海洋和掌握海洋資源開發(fā)的技術,誰就掌握了未來世界的資源寶庫”,這是對海洋重要性的高度評價。作為人類認識和利用海洋資源的重要工具,水下機器人在海洋資源開發(fā)和軍事應用方面展示出良好的應用前景。運動控制和故障診斷技術作為水下機器人的核心技術,對其開展深入研究具有重要的理論意義和工程應用價值。論文的主要目的是提出更好的運動控制

2、算法并實現(xiàn)控制系統(tǒng)的故障自主診斷,從而提高水下機器人在惡劣海洋環(huán)境下的運動控制性能和生存能力。
　　 作者以“水下機器人運動控制與故障診斷技術研究”為題展開博士論文研究工作。論文首先簡要介紹研究對象的基本情況,闡述水下機器人的硬件體系和軟件體系結構,導出水下機器人運動仿真模型,為隨后的運動控制與故障診斷技術研究奠定理論基礎;為了提高水下機器人組合導航系統(tǒng)的精度和可靠性,開展了聯(lián)邦kalman濾波技術研究?；谛畔⑹睾阍瓌t,推導出

3、聯(lián)邦kalman濾波算法并完成最優(yōu)性證明。將聯(lián)邦kalman濾波器應用于水下機器人組合導航,通過試驗結果分析驗證了聯(lián)邦kalman濾波器應用于水下機器人的可行性;考慮到普通S面控制器在系統(tǒng)穩(wěn)定時存在一定的穩(wěn)態(tài)誤差,本文在S面控制器中引入智能積分以減小穩(wěn)定時的穩(wěn)態(tài)誤差。將專家系統(tǒng)引入到S面控制器中,構建專家S面控制器,借助領域專家的經(jīng)驗構造控制策略,從而提高控制系統(tǒng)的控制性能?；谄胀⊿面控制器和極板模型控制器的對比分析,提出了廣義S面控

4、制器,通過選取不同的S形非線性函數(shù)來代替普通S面控制器中的Sigmoid函數(shù)以得到不同的S面控制器,相應的結論可以指導控制器的設計過程;針對基于解析模型等故障診斷方法魯棒性差的缺點,引入滑動模念的思想以提高故障診斷的魯棒性。由于閾值判別法分析殘差時容易受到客觀因素和主觀因素的影響引起誤判,本文引入模糊推理的方式來分析殘差信息以克服閾值判別法判斷不連續(xù)和誤報率高的缺點,大量的仿真試驗結果表明基于模糊推理的殘差分析方法能夠區(qū)分水下機器人當前

5、是處于狀態(tài)調(diào)整階段還是狀態(tài)異常階段,從而大大提高了故障診斷的準確性,有利于故障診斷魯棒性的提高;針對神經(jīng)網(wǎng)絡用于故障診斷存在的缺點,將模糊邏輯與神經(jīng)網(wǎng)絡結合構造模糊神經(jīng)網(wǎng)絡以彌補神經(jīng)網(wǎng)絡的不足,闡述了一種模糊神經(jīng)網(wǎng)絡結構,推導出基于最小調(diào)整的網(wǎng)絡動態(tài)學習率以確保當前學習樣本的調(diào)整結果對歷史數(shù)據(jù)改變最小;對水下機器人傳感器信息做小波變換,利用小波變換極值點來檢測信號的突變故障。為了消除環(huán)境噪聲的影響,引入了閾值法,通過對小波變換的高頻系數(shù)