随着海上运输活动和海洋资源的开发日益增多,海洋中的事故也越来越多,由此带来的海上搜救任务需求也越来越多,因此建立完善的搜救装备体系、提高搜救效率显得尤为重要。当前水下机器人凭借作业能力强、人机实时交互的信息量大等优势,逐渐成为水下搜救装备中的主力。但是,目前在实际搜救时需要同时使用AUV(Autonomous Underwater Vehicle,“自治水下机器人”)和 ROV(Remotely Operated Vehicle,“遥控式水下机器人”)才能完成搜救全任务,这主要因为AUV不具备救捞作业能力、且目前的发展的ROV在高速航行时控制精度不高的原因。因此,针对搜救应用,深入研究适用于搜救领域的水下机器人技术,提高ROV在高速航行时的控制精度以及其在定点作业时的抗干扰能力,使之兼备“搜索”与“作业(救捞)”的能力、直接契合搜救的全过程的应用需求,对精简搜救装备、提高搜救效率具有重要意义。本论文以“海螺三号”水下机器人为研究对象,从水下搜救的全过程(大范围扫测+定点救捞)的需求出发,深入分析了 ROV在高速航行时的系统参数随航速变化的关系,以及在定点作业时控制系统的低阻尼大惯性问题,并分别针对在ROV高速航行及定点作业工况提出不同的控制策略,既解决了 ROV在高速运动时控制精度差的问题,又提高了 ROV在定点作业时系统的抗干扰性能,为ROV在搜救领域的应用拓宽了道路。本论文章节分布如下:第一章主要介绍了本论文的研究背景、水下机器人技术的研究现状,并对水下机器人运动控制技术、推力分配算法以及导航定位技术进行详细概述,提出了本论文的研究意义,引出文章的主要研究内容及难点。第二章则针对搜救应用需求,分析搜救型ROV在硬件配置、运动控制性能等方面的具体要求,并在研究“海螺三号”水下机器人系统构成的基础上,着重研究了水下机器人运动控制数学模型,基于实际和假设简化了其六自由度模型,并对ROV在高速航行时航速变化对控制模型变化情况进行了定量的研究,为下文的控制理论设计做了铺垫。第三章重点研究了 ROV在高速航行时控制时各个自由度上水动力参数随航速变化及耦合情况,提出S面控制算法和基于模型的改进S面控制算法用于水下机器人高速航行时的速度控制,并从仿真实验的角度验证了基于模型的S面控制器能够满足水下机器人高速航行的平稳性要求。此外,针对水平面推进器矢量冗余布置的推力最优问题,研究了采用了原始-对偶法用于推力分配方程逆求解,解决了传统伪逆矩阵法存在的推力输出饱和问题,并从仿真实验的角度验证了基于原始-对偶法推力分配的优越性。第四章主要研究了水下机器人在搜救过程中定点作业的悬停控制稳定性问题。重点分析了水流、机械手运动、推进器减额对水下机器人定点作业的姿态影响,并针对定深、定艏控制,较为详细的论述了线性TDE-PD(Time Delay Estimation,线性时延估计)控制器的设计过程,通过仿真证明了线性TDE-PD控制器的控制性能优于纯PD控制器的控制性能。第五章本章完成了“海螺三号”水下机器人的舟山海上试验,重点测试了本论文设计的基于模型的改进S面航行控制器与线性时延估计的定点作业艏向及深度控制器的控制性能,通过分析对比,验证了所设计的控制器的控制性能优越性,基本满足了水下机器搜救各阶段应用的控制精度要求。第六章归纳了本论文主要完成的工作,总结了研究内容的创新点,并且针对论文研究内容存在的不足之处提出改进方法。