AUV水下器人运动控制系统设计(李思乐).docVIP

中国海洋大学工程学院 机械电子工程研究生课程考核论文 题目： AUV水下机器人运动控制系统研究报告 课程名称： 运动控制技术 姓 名： 李思乐 学 号： 21100933077 院 系： 工程学院机电工程系 专 业： 机械电子工程 时 间： 2010-12-26 课程成绩： 任课老师： 谭俊哲 AUV水下机器人运动控制系统设计 摘要：以主推加舵控制的小型自治水下机器人为研究对象，建立了水下机器人的数学模型并进行了分析。根据机器人结构的特点，对模型进行了必要的简化。设计了机器人的运动控制系统。以成功研制的无缆自治水下机器人(AUV) 为基础， 对其航行控制和定位控制方法进行了较详细的分析. 同时介绍了它的推进器布置、控制系统结构、推力分配等方法。最后展示了它的运行实验结果。 关键词：水下机器人；总体设计方案；运动控制系统；电机仿真 1 引言 近年来国外水下机器人技术发展迅速，技术水平较高。其中，具有代表性的产品有：美国Video Ray 公司开发出的Scout、Explorer、Pro 等系列遥控式水下机器人，美国Seabotix公司研发的LBV-ROV 系列，英国AC-CESS 公司的AC-ROV系列。 随着海洋开发、探测的需求越来越强，水下机器人成为全世界研究的热门课题。小型自治水下机器人具有低成本、小型化、操作灵活等特点成为近年来国内外研究的热点。自治水下机器人（Autonomous Underwater Vehicles, AUV）,载体采用模块化设计思想, 可根据需要适当增减作业或传感器模块, 载体采用鱼雷状流线外形, 总长约2 m, 外径25 cm, 基本模块包括推进器模块、能源模块、电子舱模块、传感器模块以及GPS、无线电通讯模块, 基本传感器有姿态传感器、高度计、深度计和视觉传感器, 支持光纤通讯, 载体可外挂声学设备, 通过光纤系统进行遥控操作可实现其半自主作业, 也可在预编程指令下实现自主作业。系统基本模块组成设计如图1-1 所示[1]。它具有开放式、模块化的体系结构和多种控制方式（自主/半自主/遥控），自带能源。这种小型水下机器人可在大范围、大深度和复杂海洋环境下进行海洋科学研究和深海资源调查，具有更广泛的应用前景。在控制系统的设计过程中充分考虑了系统的稳定性和操纵性。控制器具有足够的鲁棒性来克服建模误差，以及水动力参数变化。 图1-1 系统基本模块组成设计 2 机器人物理模型 2.1 AUV 物理模型 为了研究AUV 的运动规律，确定运行过程中AUV 的位置和姿态，需要建立AUV 的动力学模型。为了便于分析，建立适合于描述AUV 运动的两种参考坐标系，即固定坐标系Eξηζ 和运动坐标系Oxyz，如图2-1 所示：包含5 个推进器，分别是艉部的2 个主推进器、艉部的1 个垂向推进器和艏部的2 个垂向推进器。左右对称于纵中剖面，上和下、前和后都不对称[2]。 图2-1 AUV水下机器人物理模型 1.2 微小型水下机器人动力学分析 微小型水下机器人总长1.5m，采用锂电池作为能源，尾部为一对水平舵和一对垂直舵，单桨推进，可携带惯导设备、探测声纳、水下摄像机、深度计等设备，设计巡航速度约2 节。首先建立适合描述水下机器人空间运动的坐标系，其定义如图2-2 所示，惯性坐标系为E ?ξη? ，运动坐标系为o ? xyz 。 建立的坐标系，如图1 所示。图中：E-ξηζ—惯性坐标系；Oxyz—载体坐标系。因为机器人在航行时速度不高（4 节），可以对机器人模型进行线性化及一些简化。载体坐标系原点取于载体浮心处，在此坐标系下，载体在三个方向上的受力及运动量表达为：力：F=[X,Y,Z]T力矩：M=[K,M,N]T 速度：V=[u,v,w]T 角速率：ω=[p,q,r]T。 图2-2 惯性和载体坐标系 在图2-2定义的惯性坐标系和运动坐标系中，机器人的空间运动向量表达为： η1=［x y z］T； η2=［φ θ ψ］T υ1=［u v w］T； υ2=［ p q r ］T 式中：向量η1—机器人在惯性坐标系中的位置；η2—其在惯性坐标系中的姿态；φ—横滚角；θ—俯仰角；ψ—航向角；υ1—机器人在载体坐标系中的线速度（V）；2—其在载体坐标系中的转动角速度（ω）[3]。 2 总体方案设计 2.1 系统组成及工作原理 小型水下观测机器人主要由人机交互平台、上位系统、下位系统、摄像机四部分组成，操作人员通过有线遥控，结合人机交互界面上的水下视频图像，只需扳动上位系统控制