水下机器人-机械手系统姿态平衡控制技术研究

摘要

伴随着陆地不可再生资源消耗的加剧，人类已经把更多的目光投向蕴含巨大资源的海洋，以缓解人类面临的能源压力。开发海洋需要先进的技术和装备，水下机器人以及水下自主作业系统，已经被视为有效开发利用海洋资源的最主要设备。水下自主作业系统，是指在水下机器人上安装一套或者多套水下机械手(即水下机器人-机械手系统)，这已经成为水下机器人发展的重要方向之一。稳定可靠的水下机器人-机械手系统，是其能够完成水下勘探、海底电缆铺设等任务的有力保障。
　　水下机器人-机械手系统具有强耦合、非线性、时变等特点。水下自主作业涉及到诸多问题，其中水下机械手作业时，如何保证水下机器人艇体的姿态平衡是需要解决的技术之一，本文针对这一问题展开研究。
　　本文针对水下机器人-机械手系统作业时对水下机器人艇体纵倾姿态与横滚姿态的影响，研制了纵倾姿态平衡调整系统和横滚姿态平衡调整系统。首先，研究姿态调整系统的方案和本体结构。由于艇体本身质量与体积的限制，本文研制了以聚乙烯为材料的盒体结构，设计了同步齿形带传动机构，以最大限度的利用艇体空间。其次基于上下位机主从控制方式，构建姿态平衡调整控制系统的总体结构，设计了下位机的硬件电路。
　　研究姿态平衡调整控制技术。本文首先建立了水下机器人作业空间坐标系，在推导水下机器人动力学方程，建立水下二自由度机械手数学模型以及姿态平衡系统数学模型的基础上，建立静态水下机器人-机械手系统纵倾姿态运动方程和横滚姿态运动方程，为仿真实验提供技术支持。针对水下机器人-机械手系统本身非线性、时变性以及水下作业环境复杂等特性，本文采用模糊控制技术与PID控制相结合的模糊PID控制方法，对姿态平衡调整系统进行控制，通过输入量模糊化，建立模糊控制规则，求出模糊关系矩阵以及去模糊化，最终完成了姿态平衡调整系统的模糊PID控制器设计。分别对采用常规PID控制器和模糊PID控制器的控制系统进行姿态调整仿真实验，并分析不同控制方法下的控制性能。仿真结果表明，模糊PID控制具有更好的性能。
　　搭建模拟水下机器人-机械手系统实验平台，并进行水池实验。本文搭建了易于搬运和拆装的实验平台载体；研制了具有平面二自由度的模拟机械手系统；设计了上下位思想的实验平台控制系统，采用 LabView语言编写了上位机控制程序以及人机交互界面，提高了实验平台的可操作性。本文通过改变模拟水下机械手运动规律，做了纵倾姿态平衡调整实验，横滚姿态平衡调整实验以及纵横联调实验，并对多组水池实验结果进行分析，验证了本文所研制的姿态平衡调整系统具有良好的动态特性和较高的稳态精度，证明了本文研制的姿态平衡调节系统有效、可行。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 水下机器人研究现状及展望

1.3 水下机器人姿态调节研究现状

1.4 本文主要研究内容

第2章 水下机器人作业姿态平衡调节系统研制

2.1 引言

2.2 姿态平衡系统方案研究

2.3 姿态平衡调节控制系统硬件研究

2.4 姿态平衡调整闭环控制控制策略

2.5 本章小结

第3章 UVMS姿态建模及平衡控制技术研究

3.1 引言

3.2 AUV坐标系建立及坐标变换

3.3 水下机器人的空间运动方程

3.4 水下机器人空间运动的受力分析

3.5 姿态平衡系统及水下机械手数学模型

3.6 水下机器人-机械手系统静态姿态运动模型

3.7 PID控制技术

3.8 姿态平衡调节的模糊PID控制器设计

3.9 仿真实验及分析

3.10 本章小结

第4章 实验平台研制与水池实验

4.1 引言

4.2 实验载体构建

4.3 实验平台控制系统构建

4.4 纵倾姿态平衡调节实验与分析

4.5 横倾姿态平衡调节实验与分析

4.6 横纵姿态联调实验与分析

4.7 本章小结

结论

参考文献

致谢