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21世纪是海洋的世纪。海洋占地球表面积的71％，蕴藏着人类赖于生存的自然资源。随着陆地资源的日趋枯竭，海洋资源的重要性越来越突出，逐渐成为国际上激烈竞争的焦点之一。根据国际海底管理局的相关规定，进行热液硫化物和富钴结壳矿区的测绘和取样，都需要采用深海载人潜水器。由于技术复杂，费用高昂，目前仅有日、俄、法、美等少数工业发达国家装备有深海载人潜水器。快速发展我国自己的大深度载人潜水器，缩短与发达国家的技术差距，是赢得这场“蓝色圈地运动”的胜利和造福子孙后代的必要手段，对于保证我国长期可持续发展具有重要意义。 本文选题来源于国家“十五”863重大专项“7000米载人潜水器”(批准号:2002AA401002)，其目标是研制全世界下潜深度最大的载人潜水器。由于潜水器在深海航行，环境险恶，因而在操纵、导引与自动控制等方面均存在着较大的困难。本文根据课题组已有的模型试验资料，采用理论分析和数值模拟相结合的方法，围绕大深度载人潜水器的航行动力学进行了较系统而深入的研究:预报了载人潜水器的各项操纵性能;建立了适用于无动力潜、浮运动预报的变质量动力学模型;研究了载人潜水器动力学系统的参数辨识方法;讨论了新的控制方法在载人潜水器路径跟踪控制中的应用。 由于载人潜水器的主尺度、外形和总布置与AUV，ROV等无人水下航行器相比，存在较大差异，其水动力特性有很大不同。因此就研究背景和内容而言,本文在国内尚属首次，具有开拓性，为该领域的进一步研究奠定了坚实的基础。本文的主要贡献和创新点在于: 1.综合丰富的拘束船模试验资料，建立适用于不同运动工况的水动力计算模型，得到描述载人潜水器六自由度空间运动的一般方程式。它能模拟潜水器的几乎所有运动工况，例如空间正航、倒航、大漂角与大攻角运动。利用该模型，通过数学仿真，预报了载人潜水器的各项常规操纵性能;基于变漂角的位置力计算模型，成功预报了载人潜水器在均匀洋流中的水平面回转运动，得到了合理的计算结果。它为大深度载人潜水器的操纵性预报、仿真系统建立和控制器设计打下了基础。 2.上述模型也被用于建立国内首台大深度载人潜水器的操纵训练仿真器。这是一种实时半实物视景仿真系统，属于人在回路中的仿真，能使驾驶员身临其境，获得强烈的浸深感，得到操艇的锻炼，很有现实意义。 3.考虑海水密度随深度变化和耐压容积随压力变化的影响，通过动量与动量矩定理，首次提出描述大深度载人潜水器潜浮运动的变质量动力学模型。在模型中，运用广义回归神经网络建立了位置力随攻角变化的非线性函数关系式，取得了良好的拟合效果。通过数值计算，验证了大深度载人潜水器无动力上浮、下潜的抛载设计方案。结果表明:载人潜水器进行无动力下潜或上浮运动所消耗的时间均在设计许可范围之内，最大纵倾角也满足安全性要求。它不但具有实用价值，而且对于提高大深度载人潜水器潜浮运动的预报精度有很重要的理论意义。 4.首次将人工免疫系统引入水下航行器的水动力系统辨识与建模领域。作为对自然免疫系统的模仿，这种算法主要借鉴克隆选择和免疫响应机制，适用于非线性函数优化。通过人工免疫系统构造的辨识算法，能在一定的辨识准则下估算出系统模型中的未知参数。本文分别采用收缩映射遗传算法和人工免疫系统作为辨识算法，对大深度载人潜水器水平面运动方程中的非线性水动力参数进行了仿真辨识，并对这两种算法的辨识结果进行了比较。结果发现:在较大的参数取值约束范围内，这两种方法都能获得满足精度要求的结果，且辨识结果不依赖于初始值选取;相对而言，免疫算法的收敛速度更快，有利于减少计算时间。 5.在国内，首次提出一种能在全漂角范围内进行大深度载人潜水器航向控制的模糊混合控制律。当载人潜水器以接近于零的航速进行低速回航运动时，漂角将在较大幅度内发生变化，位置力随漂角呈现出非常复杂的非线性变化关系。本文按照位置力特性，先对漂角分区，并将其模糊化。然后在每一模糊区间内，通过滑模控制理论，设计单一的渐进稳定的航向控制器。最后，通过Takagi-Sugeno型模糊推理器将所有的控制器连接起来，得到了全局稳定的大深度载人潜水器航向控制律。仿真计算结果充分显示了该控制策略的有效性。 6.提出了一种非奇异终端滑模控制和PD型滑模控制相结合的模糊混合控制器。非奇异终端滑模控制具有良好的稳态跟踪精度，不过当系统远离平衡点时收敛速率较慢。本文根据跟踪距离误差的大小，通过Takagi-Sugeno型模糊推理系统将收敛性好的PD型滑模控制与非奇异终端滑模控制连接起来，得到了一种收敛快速且跟踪精度好的模糊混合控制器。 7.基于上述非奇异终端滑模控制和PD型滑模控制相结合的模糊混合控制律，研究了欠驱动大深度载人潜水器的PF路径跟踪控制策略。由于系统本身高度非线性、强耦合，且存在参数不确定，因此在载人潜水器的运动控制方面存在很多困难。所谓欠驱动系统是指独立控制输入数目少于自由度数的系统。由于在水平面内只有两个相互垂直的推力输入，因此载人潜水器是欠驱动系统。PF路径跟踪控制的目的在于，使从任意初始位置出发的航行器能驶上并在其后始终保持在一条预先规划好的航行路径上，且对时间并无严格的要求。对于由自由曲线构成的参考路径，通过引入Serret-Frenet坐标系，并将虚拟目标点的移动速率纳为控制输入，本文利用非奇异终端滑模和PD型滑模相结合的模糊混合控制方法，提出了一种适用于欠驱动潜水器的鲁棒路径跟踪控制律。在控制器设计过程中，通过Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统的稳定性。仿真计算结果表明:该控制器能确保运动系统在有限时间内收敛，跟踪性能良好，对于参数不确定性和外界环境扰动均不敏感，具有很强的鲁棒性。开展欠驱动系统的PF路径跟踪控制研究对于提高航行效率，确保潜水器近海底安全航行具有重要的意义。 本文的部分研究成果已经在大深度载人潜水器的研发工作中得到了实际的应用。不仅如此，它对于AUV、ROV和鱼雷等水下航行器也具有重要的应用与参考价值。