新型倾转旋翼海空两栖机器人航行控制研究

An new amphibious tiltrotor vehicle is present in this research. A new control approach for the amphibious tiltrotor vehicle trajectory tracking is also designed based on modeling the tiltrotor vehicle. The tiltrotor structure allows for an efficient position and attitude control of the vehicle in 3 navigation states, which include travelling underwater, travel state transition from water to air, and flying in the sky. Modelling the tiltrotor vehicle and designing a controller are crucial. The controller for the tiltrotor vehicle has been presented into two interconnected subsystems. The first one is designed for attitude control of the vehicle based on backstepping strategy. The other is designed for position control of the vehicle based on type-2 fuzzy strategy..The expected results will provide a new control method for the new amphibious tiltrotor vehicle, which will be important of underwater vehicle research.

本项目提出一种新型倾转旋翼海空两栖机器人，并开展该两栖机器人在水中航行时的建模和航行控制算法研究。采用四旋翼结构的两栖机器人在空中飞行、出水、入水及水中航行时，姿态调整极为灵活，同时将一对旋翼设计成可倾转结构，提高了机器人在水中航行时的速度和稳定性。四旋翼两栖机器人是一种欠驱动、强耦合的非线性结构，如何建立其在水中航行时的动力学模型，并设计相关的控制算法是该新型两栖机器人研究中需要解决的关键问题。本项目将首先采用机理建模、水动力计算和系统辨识相结合的方法建立倾转旋翼两栖机器人在水中航行时的动力学模型，并将其在水中航行的控制问题分为姿态调节和轨迹跟踪两个子系统分别设计相应的控制算法，其中姿态调节采用基于反步法的控制器，轨迹跟踪采用type-2模糊控制算法，最终使其能够实现水中自主悬停和轨迹跟踪。.预期成果将首次建立倾转旋翼海空两栖机器人在水中自主航行的控制算法，有重要的创新性。

水下机器人被大量应用于海洋科学考察及海洋水文采样领域，然而大多数的水下机器人都需要收放装置才能从母船布防到水下以及在作业完成后进行回收。在恶劣海况下进行水下机器人的布防及回收作业是很危险的，而且常规的水下机器人受到水中航行速度的限制，难以满足快速搜索、跨水域采样等相关任务要求。而海空两栖机器人能够在空中飞行，也可以在水中进行相关数据的采样作业，因此两栖机器人可以不需要收放装置的布防回收，快速的飞向目标区域执行水下作业。.项目针对旋翼结构的海空两栖机器人开展了探索性研究，海空两栖机器人是一种新概念水下航行器，通过本课题的研究突破了能够适应水下及空中航行需求的机器人设计技术，本项目创新型的采用了旋翼结构设计两栖机器人的机体，旋翼结构能够保证机器人在跨介质运动时保持机体问题，避免机体受到水面冲击而发生结构破损。并且为了满足水下航行需求，设计了一对可以倾转的旋翼，提高了机器人水下航行稳定性。项目首先建立了两栖机器人的运动学和动力学数学模型，并在此基础上设计了机器人航行运动算法的控制方框图。在控制算法方面，为了保证两栖机器人在出水及入水过程中，保持姿态稳定，设计了基于模糊P+ID的跨介质运动姿态稳定控制算法，保证了海空两栖机器人在跨介质运行过程中保持姿态稳定，通过仿真实验验证了所设计的姿态稳定算法的有效性和鲁棒性。并且设计了原理样机，完成了水池飞行试验，相关成果为旋翼结构的两栖机器人应用提供了理论基础。学术成果包括申请了三项发明专利，发表了3篇期刊论文，其中包括1篇SCI检索，2篇EI检索。