基于航行阻力优化的近水面机器人减纵摇控制.pdf

第12卷 第3期 中 国 舰 船 研 究 Vol.12No.3 2017年6月 Chinese Journal of Ship Research Jun.2017 第3期 引用格式：姚绪梁，孟令卫，牛小丽.基于航行阻力优化的近水面机器人减纵摇控制［J］.中国舰船研究，2017，12（3）：111-119. YAOXL，MENGLW，NIUXL.LQRpitchcontrolstrategyofAUVsbasedontheoptimumofsailingresistance［J］. ChineseJournalof ShipResearch，2017，12（3）：111-119. 基于航行阻力优化的近水面机器人减纵摇控制 姚绪梁，孟令卫，牛小丽 哈尔滨工程大学 自动化学院，黑龙江 哈尔滨150001 摘 要：［目的目的］水下机器人（AUV）在近水面航行时，不可避免地会受到海浪的干扰，海浪干扰导致的纵摇和升 沉运动不仅会影响AUV的航行姿态，同时也会导致其航行阻力增加，加剧能源的消耗。为实现AUV航行姿态 和航行阻力的加权最优，［方法方法］建立AUV的六自由度模型并进行纵平面运动的线性化。对AUV的纵摇增阻情 况进行研究，利用势流理论的方法，推导AUV的纵摇增阻模型。以纵摇增阻为性能指标，确定控制器中的Q 矩 阵和R 矩阵，并设计减小AUV纵摇的线性二次型控制系统（LQR）控制器。［结果结果］仿真结果表明，加入LQR控制 器后，减垂荡和减纵摇效果分别达到46.64%和77.62%，纵摇增阻减小到原来的1/6。［结论结论］研究结果显示，基于 能量优化的LQR控制可实现纵摇增阻和航行姿态的加权最优，节约能量消耗，增加AUV的续航力。 关键词：航行阻力优化；LQR控制；纵摇减摇；势流理论 中图分类号：U664.82 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1673-3185.2017.03.016 LQRpitchcontrolstrategyofAUVs basedontheoptimumofsailingresistance YAOXuliang，MENGLingwei，NIUXiaoli CollegeofAutomation，HarbinEngineeringUniversity，Harbin 150001，China Abstract：WhenanAutonomousUnderwaterVehicle （AUV）sailsnearthesurfaceofthesea，itwill inevitablybesubjectedtowavedisturbance.Theheaveandpitchmotioncausedbywavedisturbancenot onlyaffectsthenavigationattitudeoftheAUV，butalsoleadstoanincreaseinsailingresistance.Assuch， its energy consumption is increased. In this paper，the six degrees of freedom model of AUVs is establishedandlinearizedinordertoachievetheweightedoptimizationofthesailingattitudeandthe resistanceoftheAUVs.ThedragforcemodeloftheAUVisderivedusingthetheoryofpotentialflow.The Q matrixandR matrixaredeterminedinthecontrollerbasedonresearchintothedragf