船载六自由度主动波浪补偿装置测控技术研究

作     者：曾维湘 

作者单位：广州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：邹涛

授予年度：2024年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 082402[工学-轮机工程] 0835[工学-软件工程] 0824[工学-船舶与海洋工程] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：波浪补偿 Stewart平台 惯性传感器 卡尔曼滤波 滑模控制 

摘      要：船载波浪补偿装置的主要作用是在波浪干扰环境下为其它海工装备提供一个相对稳定的工作环境,广泛应用于海上补给、舰载武器瞄准等领域。目前我国在波浪补偿技术领域起步较晚,现有的波浪补偿系统大部分仅考虑单一的升沉运动,无法对扰动进行全补偿,而基于Stewart结构的并联补偿平台具备空间六自由度运动,国外研制的全自由度补偿机构多基于该结构,但是由于技术垄断,这些补偿装置价格高昂,甚至只租不售,制约了我国海洋产业的发展。针对上述问题,论文对六自由度主动波浪补偿系统的“测量和“控制两大关键技术展开研究,以促进主动波浪补偿系统相关技术的完善和理论的进步。 本文以SBG公司生产的惯性传感器以及Stewart平台为研究对象,围绕船舶的升沉、纵摇、横摇测量模块设计以及波浪补偿机构控制系统设计展开研究。具体研究内容如下: (1)针对动态环境下传统卡尔曼滤波算法鲁棒性低及姿态解算精度较低等问题,提出了一种鲁棒卡尔曼滤波方法用于姿态解算。首先采用惯性测量单元采集对象的加速度与角速度数据,然后对这些数据进行误差分析并建模。随后,采用卡尔曼滤波算法对处理后的加速度与角速度数据进行融合。为减少外部加速度对测量的影响,采用一阶AR建模方法实现对有害加速的估计,同时采用一种多重调谐因子自适应调节测量噪声协方差矩阵,提高姿态测量的精度。最后设计实验验证该算法的合理性和可行性。 (2)针对传统升沉测量中卡尔曼滤波观测器的模型误差较大以及自适应能力不足等问题,提出了一种自适应鲁棒容积卡尔曼滤波方法实现船舶升沉测量。首先分析船舶升沉解算的流程与传统方法的不足之处,然后引入Sage噪声估计器、多重衰落因子以及Huber鲁棒滤波等自适应模块对传统解算方法进行改进,提高算法对复杂升沉信号的解算能力以及自适应能力。最后在MATLAB中设计仿真实验,并采用多组复杂升沉信号进行测试,通过对比多组实验数据验证升沉测量精度以及算法的有效性。 (3)针对波浪补偿平台强耦合、非对称、多输入多输出等特点,采用一种基于单位矢量法的滑模控制器实现补偿平台的控制。首先采用逆运动学完成工作空间到关节空间的转换,利用Euler-Lagrange方程实现关节空间逆动力学建模,然后将Solid Works中建立的三维模型导入Simulink,结合Sim Mechanics模块库实现Stewart模型的建立。随后,采用计算力矩控制以及传统滑模控制完成控制器设计,针对滑模控制器中存在的抖振现象,采用一种非线性连续函数对符号函数进行替换,削弱控制系统的抖振,实现稳定及高精度的轨迹跟踪。最后在Simulink中搭建主动波浪补偿系统,模拟船舶运动信息作为输入,验证几种控制器的跟踪性能,为后续装置的生产与调试提供技术支撑。