2.6 推进器设计  9 

2.7 材料选择和防腐处理  10 

2.8 本章小结 . 11 

第三章 水下无人潜航器控制系统设计  12 3.1 引言 . 12 

3.2 水下无人潜航器的控制器设计  12 

3.2.1 导航处理  12 

3.2.2 深度传感器 .. 13 

3.2.3 推进器电机和摄像头选择 .. 13 

3.3 水下无人潜航器的基本控制回路 . 14 

3.3.1 定深控制系统  14 

3.3.2 定高控制系统和定向控制回路..14 

3.3.3 定位控制回路与航行速度 .. 15

3.4 水下无人潜航器的闭环控制算法 . 16 

3.4.1 PID 控制原理 .. 16 

3.4.2 位置式 PID 控制算法实现 . 17 

3.4.3 增量式 PID 控制算法的实现 .. 17 

3.4.4 模型线性化 . 17 

  3.5 模糊控制  18 

3.5.1 模糊控制系统 .. 18 

3.5.2 模糊 PID 控制 .. 18 

3.6 本章小结  20 

第四章 实验仿真  21 

4.1 仿真模型的建立  21 

4.2 仿真结果与分析  21 

4.3 本章小结  22 

结 语 .. 23 

致 谢 .. 24 

参考文献 . 25 

第一章 绪论 

1.1 研究背景 

从太空俯视地球时，地球近似一个蓝色的球体，地球表面积的71%都被浩瀚的海 洋所覆盖，即使平均的水体深度也接近4000米。陆地上所有的水资源相加也不过是3%, 剩余的全部来自海洋。直到目前为止，人类对这个包围着自己的地方仍然没有相应的 认知，我们对海洋知之甚少，更不提开发利用了。海洋是除陆地外，人类发展的另一 空间，是各种资源与能源的战略性开发基地，是目前为止所有可发展空间中最具发展 潜力的。至今已发现海底蕴藏的多金属结核矿、贵金属和稀有元素等矿产资源达6000 亿吨。有相关研究表明，海底的矿产资源仍在不断生长。不会和陆地上的资源一样取 尽用竭。20世纪90年代初，我国成为联合国审核批准的第五个深海采矿投资国家，肩 负着30万平方公里的海洋探测重任，可以在矿产资源丰富海区进行优先开采的海域面 积是7.2平方公里。海洋资源的开发利用将促进国家和社会的经济发展。中国政府已 把海洋开发上升到国家战略的高度。然而由于海洋深处工作环境过于复杂，海底无法 预知，存在一系列不确定的情况。人类无法直接参与开发。海洋开发，需要进行一系 列准备工作，包括取样检测，水底观察，辅助施工等。要完成上述任务，需要相应的 开发技术作为支撑。作为替代人类去探索海洋这一自然瑰宝的先行者，水下机器人在 现代探测海洋，开发海洋的重要性无可取代。对我国海洋产业具有特殊意义。海洋资 源的开发不仅可以解决资源短缺的问题，还可以带动技术的发展，推动我国在海洋研 究方面的进步，提高核心的竞争力。 

1.2 研究现状及发展趋势 

1.3 水下无人潜航器控制系统的组成与结构 

水下无人潜航器的智能核心是它的控制系统，不同任务的传感器，推进器，CPU 等硬件构成了完整的控制系统。水下机器人的传感器相当于人的眼睛。主要用到的有： 常规传感器，如多普勒速度计，深度计，高度计，作业系统传感器等。水下机器人视 觉系统则包括摄像机，声纳，水下照明灯等。水下摄像机直接提供水下的视频图像信 息，适宜用在水质较为清澈的水域。在需要立体观测时，由于一台摄像机无法给出观 测目标的距离信息，就必须使用两台摄像机完成。而当水质浑浊，照明条件较差时， 光学的成像原理将无法应用，这时候就需要用到声学原理的成像声呐。UUV系统中使 用mini IMU惯性导航模块来收集速度、方向转盘等信息，通过对这些进行处理能够得 到相应位置信息；UUV运行过程中深度信息主要是由压力传感器提供，深度计负责获 取深度等信息。UUV系统装置高清模拟摄像头，可以录制视频或拍摄图片；UUV具有直流电机提供动力，而控制器只要发出PWM信号便能自动调节速度；UUV与外界数据通信 传输采用485总线系统和TTL转485模块来实现。除了硬件之外，还需要选取合理的软 件体系结构来更有效地处理这些数据流，。PCE运动控制体系结构是目前智能水下机 器人采用的较多的体系结构。其中包含了感知层，控制层和执行层。机器人进入水下 后，传感器将数据传递给感知层，感知层对信息进行处理，将处理结果输入给控制层， 控制层根据这些信息选择合适的控制模型，控制算法和控制参数，得出水下机器人当 前的状态以及目标的状态。而当机器人出现故障时，如果仍然通过控制层建立模型， 则会延长响应时间，导致执行层无法快速做出响应。此时需要跳过控制层，直接对执 行层进行控制。