基于MATLAB的拱泥机器人控制仿真研究

摘要

“基于蠕动原理仿生拱泥机器人”是哈尔滨工程大学孟庆鑫教授提出的一种新型仿生机器人概念。它主要是针对水下沉船打捞、石油管道、通讯光缆的敷设和检测等多种恶劣复杂环境作业为背景提出的,这给它的控制带来了难度。由于研制基于蠕动原理仿生拱泥机器人是一项极其复杂的工作,已经研制成功的仿生拱泥机器人实验样机和工程用机之间还有很大的差距。因此,本文结合黑龙江省自然科学基余重点项目“基于蠕动原理仿生拱泥机器人虚拟样机研究”,对仿生拱泥机器人控制系统进行了建模,仿真验证,并对关键参数进行了分析,得出它们对系统输出性能的影响,为进一步制作完善的工程样机的控制打下基础。
　　 文中首先叙述了固内外水下机器人和拱泥机器人的发展状况及趋势,简要介绍了物理样机的结构及工作原理。对拱泥机器人运动学和动力学进行了研究。针对拱泥机器人蠕动爬行的特点,建立了拱泥机器人的三维运动学模型,并进行了仿真验证。分析了拱泥机器人在水下泥土环境中受力情况,在此基础上采用Routh方程建立了拱泥机器人蠕动爬行机构分解子运动的动力学方程。
　　 关键部件气动冲击器工作过程复杂,本文对其建立了数学模型,运用了MATLAB仿真软件中的Stateflow工具解决了它的复杂的监控逻辑问题,对其进行仿真,得出了气动冲击器各项参数对系统输出性能的影响。为冲击器结构优化提供了有力保证。
　　 根据拱泥机器人在海底泥土中的作业过程中,系统存在着许多不确定因素,如模型参数的时变和对象特性的非线性以及诸多的扰动因素等,采用参数自调整模糊控制策略进行拱泥机器人的控制,设计了模糊控制器。进行了拱泥机器人位置的模糊控制的动态仿真分析,大大改善仿生拱泥机器人在转向行走时的工作性能。并对拱泥头动力学模型进行了仿真分析。为结构设计和部件的选择提供了参考,为进一步研制工程化样机奠定了坚实的基础。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 水下机器人的发展概况及其应用

1.1.1 水下机器人的发展状况及趋势

1.1.2 水下机器人的应用

1.2 虚拟样机技术起源、现状及发展

1.3 计算机辅助设计软件MATLAB简介

1.3.1 MATLAB的起源、现状和发展

1.4 本课题研究提出的背景和研究主要内容

1.4.1 课题的背景

1.4.2 研究的主要内容

第2章 机器人结构简介

2.1 仿生拱泥机器人总体样机

2.2 基于蠕动原理仿生拱泥机器人的关键部件

2.2.1 拱泥头

2.2.2 仿生拱泥机器人转向机构

2.2.3 仿生拱泥机器人前后支撑

2.3 本章小结

第3章 拱泥机器人运动学动力学研究

3.1 引言

3.2 拱泥机器人运动学分析

3.2.1 机器人未端姿态和位置的表示

3.2.2 杆件坐标系之间的变换矩阵

3.2.3 拱泥机器人蠕动方式运动分析

3.3 海底泥土环境中拱泥机器人的受力分析

3.3.1 拱泥机器人受力模型分析

3.3.2 头部冲击速度的确定

3.3.3 拱泥机器人蠕动进给过程中的受力分析

3.4 拱泥机器人动力学分析

3.4.1 分解子动作的动力学方程

3.4.2 拱泥机器人系统的动力学方程

3.5 本章小结

第4章 基于MATLAB的气动冲击器的仿真分析

4.1 冲击器的数学模型

4.1.1 气动冲击结构的数学模型建立的假设条件

4.1.2 气动冲击结构的数学模型的建立

4.2 冲击器的模型的动态仿真

4.2.1 MATLAB/Simulink软件简介

4.2.2 有限状态机简介

4.2.3 建模及仿真

4.3 配气参数对输出性能影响的分析

4.3.1 匀加速阶段位移s1的变化对性能的影响

4.3.2 减速阶段位移s3的变化对性能的影响

4.3.3 变加速阶段位移s2的变化对性能的影响

4.3.4 s1与s2组合变化时对性能的影响

4.4 活塞质量与系统压力对性能的影响

4.4.1 活塞质量对性能的影响

4.4.2 系统压力的影响

4.5 本章小结

第5章 基于MATLAB拱泥机器人控制部分仿真

5.1 拱泥机器人位置的模糊控制

5.1.1 模糊控制的基本原理

5.1.2 位置控制系统的数学模型的建立

5.1.3 模糊控制器的设计

5.1.4 仿真及结果

5.2 拱泥机器人头部动力学模型仿真

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢