基于作业任务的UVMS协调控制方法的研究

摘要

伴随着人类对陆地资源的大量开采与利用，有限的陆地资源日趋枯竭，于是各国将发展的目光投向了矿产资源蕴藏丰富的海洋。在水下机器人上搭载水下机械臂的水下机器人-机械臂系统(UVMS)是海洋资源开发利用的重要工具之一，引起了各国学者和科研机构的广泛研究。UVMS由自主式水下机器人(AUV)系统和水下机械臂系统两个子系统共同构成，它们具有强耦合、强非线性和运动学冗余等特点，因此UVMS协调控制技术成为目前研究中亟待解决的关键问题。本文主要针对作业型UVMS，从关节空间跟踪和运动学规划两方面，对其协调控制技术分别进行研究。
　　本文首先对UVMS的总体方案进行设计，其中主要包括自主式水下机器人(AUV)、水下机械臂和辅助调节装置三部分。首先依据需求，对AUV子系统框架进行搭建。其次，对水下机械臂的性能参数进行说明，并确定水下机械臂的系统构成，在组装完成后进行测试实验。最后介绍辅助调节装置的目的与意义并进行相关方案设计。
　　其次，对水下机器人子系统、水下机械臂子系统分别建立运动学和动力学模型，在此基础上对UVMS进行整体建模。在运动学建模时，利用欧拉角计算AUV的姿态，利用D-H法得到水下机械臂的齐次变换矩阵。水下机械臂安装在AUV本体上，通过坐标变换建立UVMS的整体运动学方程。在动力学建模时，对子系统在水下环境中的受力情况进行分析，利用牛顿-欧拉公式分别得到子系统的动力学方程，同时计算水下机器人和水下机械臂之间的相互作用力，在此基础上得到了UVMS的整体动力学模型。
　　再次，本文设计了一种基于RBF神经网络的自适应控制算法，对UVMS的水下机械臂子系统进行运动控制分析，通过仿真实验验证该方法的有效性。采用双闭环积分滑模控制器对UVMS进行协调控制，并提出了一种优化滑模抖振的方案，通过仿真实验验证所提出方法及优化方案的稳定性。在水下机械臂进行水下作业过程中，会对AUV的俯仰运动产生一定的干扰，本文使用辅助调节装置通过调节系统重心来补偿该干扰。并对补偿装置设计模糊自适应PID控制算法，通过仿真实验验证该方法的可靠性。
　　最后，为了解决UVMS运动冗余性的问题，本文采用了一种基于模糊算法的多任务优先级运动规划方法。该方法可以使末端执行器到达期望位置的同时，保证本体姿态稳定和避免关节极限，通过数值化仿真验证该方法的有效性。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题研究背景和意义

1．2 UVMS研究现状

1．2．1 UVMS国外研究现状

1．2．2 UVMS国内研究现状

1．3 UVMS协调控制技术简述

1．3．1 UVMS运动控制方法

1．3．2 UVMS运动规划方法

1．4本文主要研究内容

第2章UVMS系统总体方案设计

2．2．1水下机器人结构设计

2．2．2水下机器人控制系统设计

2．3水下机械臂总体设计

2．3．1水下机械臂结构设计

2．3．2水下机械臂控制系统设计

2．4水下机械臂测试实验

2．4．1水下机械臂水密实验

2．4．2水下机械臂操作实验

2．5辅助调节装置设计

2．6本章小结

第3章UVMS系统数学建模

3．1水下机器人系统

3．1．1水下机器人本体坐标系建立

3．1．2水下机器人本体运动学建模

3．1．3水下机器人本体动力学建模

3．2水下机械臂系统

3．2．1水下机械臂系统运动学研究

3．2．2水下机械臂系统动力学分析

3．3 UVMS整体模型

3．3．1 UVMS整体模型运动学研究

3．3．2 UVMS整体模型动力学研究

3．4本章小结

第4章UVMS协调控制方法研究

4．1水下机械臂控制方法研究

4．1．1 RBF神经网络概述

4．1．2 n自由度水下机械臂控制器设计

4．1．3李氏函数构建和稳定性证明

4．1．4未知干扰模型的水下机械臂控制及仿真分析

4．2 UVMS控制方法研究

4．2．1滑模变结构控制方法概述

4．2．2双闭环积分滑模控制器设计

4．2．3双闭环积分滑模控制仿真实验及结果分析

4．3辅助调节装置控制算法研究

4．3．1基于辅助调节装置的模糊自适应PID控制器设计

4．3．2基于辅助调节装置的仿真实验及分析

4．4本章小结

第5章UVMS运动规划研究

5．1 UVMS的雅克比矩阵

5．2 UVMS运动规划方法

5．2．1基于雅克比矩阵的伪逆解法

5．2．2多任务优先级运动规划方法

5．2．3关节限位约束法

5．3模糊多任务优先级运动规划方法

5．3．1模糊逆运动学算法

5．3．2 UVMS运动规划方法设计

5．4仿真实验

5．4．1伪逆解法和多任务优先级规划算法对比仿真实验

5．4．2模糊任务优先级运动规划方法仿真实验

5．5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢