自主水下航行器(AUV:Autonomous Underwater Vehicle)作为一种海上力量倍增器,有着广泛而重要的军事用途,在未来海战中有不可替代的作用。无人水下航行器的控制设计是控制系统设计的一个重要领域。由于非线性动力学特性、模型的不确定性和难以测量或估计的干扰通常导致控制难以实现。本文主要研究一种小型水下航行器垂直面控制问题,由于水下航行器非线性模型中变量多、耦合强且参数不确定,尤其是其附加质量、阻尼系数等流体动力学参数对水下航行器控制的影响十分复杂,将模型进行解耦,简化动力学参数,重新构建模型,算法采用动态面滑模控制以及自适应机制,将两者优点结合起来构建动态面滑模自适应控制器,使系统能够在控制过程中动态估计系统的不确定参数,消除反步法引起的微分项膨胀,达到理想的控制效果。首先,水下航行器平台搭建。根据性能要求,仿照“C-Sweep”对水下航行器进行机械外型,控制系统结构,软硬件系统设计,外型根据受力仿真达到最优外形。控制系统分为四层任务层,导航层,控制层和AUV实体,确保完成水下多任务的目标。硬件采用工控机,通信模块,DSP嵌入式主机等,可在复杂环境下工作且精度高;软件采用VC6.0编译环境,便于数据处理与保存,使信息交互有一个完整、稳定、时效高的环境。其次,模型建立。建立AUV的空间运动体坐标系,根据惯性坐标系和体坐标系之间的转换关系建立水下航行器的五自由度的运动学模型,再根据水下航行器受力分析,得到动力学模型,将运动学模型和动力学模型联立得到水下航行器的数学模型,针对数学模型中存在的建模动态和外界环境干扰等因素,等效为系统干扰项,按照运动平面解耦方法简化模型得到纵倾角模型和深度控制模型。最后,运动控制器设计。纵倾角和深度控制采用动态面滑模和自适应相结合分别设计纵倾角控制器和深度控制器,进行了垂直面的研究。设计两种方案进行变深控制对比,仿真研究结果验证了深度—纵倾控制策略不仅对纵倾角限制,而且减少了调节时间,使得AUV的稳定性和安全性得到了保证。