基于控制力矩陀螺技术的开架AUV建模与控制方法研究

Autonomous Underwater Vehicle (AUV) is a vital platform for ocean explorations and sustainable marine activities. In order to improve the observation quality and operating efficiency of current AUVs, the innovative Control Momentum Gyroscope (CMG) technology is proposed recently. Nevertheless, new problems, such as actuating complex gyroscope, make the modeling and control of CMG AUV much more complex than regular AUVs. Therefore, two key issues should be addressed simultaneously for CMG AUV: dynamic and hydrodynamic modeling; robust control design and robustness analysis. In particular, cost efficient Computational Fluid Dynamic (CFD) and Finite Element Method (FED) are proposed in this project to predict the dynamic and hydrodynamic model for AUV robust control design. Generally, for a complex-shaped AUV, the cost to develop an accurate hydrodynamic model is usually high. In contrast, our approach allows the less accurate and cost-efficient numerical models that satisfying the robust stability condition. After the modeling work, H-infinity and interval analysis theory are introduced to study the robust design and global synthesis problems. In our scope, this project will form the dynamic modeling, nonlinear compensating, states estimating and robust control algorithms, etc., to handle the AUV uncertainties, such as unmolded dynamics, environmental disturbances, and parameter variations. The results of this project will enrich the research of AUV modeling and control field, especially, providing theoretical and technical support for CMG AUV applications at the sea.

控制力矩陀螺（CMG）是提高水下机器人（AUV）观测精度和作业效率的创新调控技术。然而，复杂陀螺机构等问题却使CMG AUV的建模与控制难度远高于传统AUV，形成制约该技术发展的主要矛盾。为此，本项目拟综合研究CMG AUV的两个关键问题：动力与水动力建模；控制设计与鲁棒分析问题。具体地，考虑机构复杂、建模困难等特点，提出数值建模方法。通过研究计算效率与鲁棒约束之间的量化关系，得到获取满足鲁棒约束条件参数模型的快速建模方法。进而，结合H无穷与区间分析理论，研究控制器的全局鲁棒设计问题。探索改善局部性能缺陷的控制综合分析方法。本项目有望得到针对CMG AUV的快速建模、非线性补偿、状态估计和鲁棒设计等一整套方法，解决实际海洋中的非线性动力特性、外部环境扰动和AUV参数变化等不确定因素对姿态控制性能的影响。本项目成果将丰富AUV的建模与控制方法，为CMG AUV推向实际海洋观测作业提供支撑。

水下机器人是具有多源干扰、多不确定性、强耦合、非线性的复杂运动系统，为了采用控制力矩陀螺(CMG)技术提高水下机器人(AUV)的悬浮运动控制性能，本项目围绕开架CMG AUV的水动力建模，鲁棒控制器设计和控制硬件开发三方面展开了研究工作。针对AUV的建模问题，采用数值计算方法建立了多自由度AUV标称模型，确定了模型中的非线性与不确定性作用，明确了各参数的不确定界。通过分析CMG的结构和运动参数，面向开架AUV艏摇控制设计了CMG构型，并建立了CMG AUV数学模型。项目采用H无穷鲁棒控制方法解决了AUV控制中的非线性与不确定性扰动，使用H无穷控制方法分别对带不确定性水动力参数的AUV和CMG AUV设计了鲁棒控制器。为了解决经典鲁棒控制综合方法的局部优化局限，得到兼具鲁棒性和简洁性的全局优化鲁棒控制器，项目提出采用区间分析理论求解结构约束H无穷鲁棒控制器的新方法，通过PID结构例证了全局优化新方法可以有效求解CMG AUV结构约束条件下鲁棒控制器的综合问题。为了解决AUV和CMG对象的高速实时控制问题，开发了基于FPGA的控制器硬件和控制器逻辑。通过半物理仿真验证了AUV艏摇控制实时性可达微秒。综上所述，开发灵巧的水下机器人需要跨越多个学科的交叉融合研究，是极具挑战的工作，本项目产生的理论和技术成果可为提高开架AUV的水下作业能力提供有益的参考。