矢量推进水下机器人的运动控制系统设计

摘要

随着科学技术的发展，水下机器人作为一种有效辅助人类工作的工具，越来越多被应用到诸多领域，它的出现极大提高了人类对海洋的开发和探索能力。近些年，水下机器人技术在向着小型性、机动性和灵活性方向发展，出现了众多创新性研究领域，与此同时相应的控制方法和策略也在推陈出新。
　　本文针对一种搭载矢量推进装置的水下机器人进行了控制算法理论研究及运动控制系统设计，在实际水域测试中显现出具备良好的运动能力和稳定性。本文研究内容如下:
　　首先，建立水下机器人运动控制数学模型。通过建立大地固定坐标系和体运动坐标系，并利用坐标系转换方程定义了水下机器人在水下的实际运动关系。根据运动学和动力学原理，对水下机器人进行受力分析，从而得到空间动力学方程，建立其运动控制数学模型。
　　其次，对水下机器人运动控制理论展开研究。根据其在水下运动环境的复杂和不确定性，引入自抗扰控制技术，讨论了该控制器的原理和构成，并根据控制器结构对水下机器人数学模型进行进一步简化处理，搭建了自抗扰控制系统深度与俯仰角控制仿真模型，仿真结果与PID控制算法进行了对比和分析。
　　再次，进行水下机器人的运动控制系统硬件和软件设计。根据矢量推进器的特点，确定采用PMAC运动控制卡做核心控制器，并分别建立伺服驱动系统和姿态深度信息采集系统，通过编绘上位机控制通讯软件，实时操控和监测反馈水下机器人水下运动状态。
　　最后，根据搭建的水下机器人控制系统，进行单元和通讯测试，随后在室内及室外水域进行运动试验，实现了水下机器人良好的运动能力，验证了控制系统的有效性和可行性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 本课题研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 水下机器人

1．2．2 矢量推进技术

1．2．3 水下机器人控制策略

1．3 本文主要研究内容和方法

2．1 引言

2．2 坐标系及参数定义

2．2．1 大地固定坐标系

2．2．2 体运动坐标系

2．2．3 坐标系变换

2．3 水下机器人动力学

2．4 水下机器人受力分析

2．4．2 矢量推进器推力

2．4．3 流体动力

2．5 水下机器人空间运动方程

2．6 水下机器人动力学仿真

2．7 本章小结

3．1 引言

3．2 自抗扰控制方法简介

3．2．1 跟踪微分器

3．2．2 扩张状态观测器

3．2．3 非线性状态误差反馈律

3．3 自抗扰控制器设计

3．3．1 系统数学模型简化

3．3．2 控制器算法设计

3．3．3 自抗扰控制器参数整定

3．4 自抗扰控制器仿真分析

3．5 本章小结

第4章 矢量推进水下机器人的运动控制系统设计

4．1 引言

4．2 水下机器人运动控制系统简介

4．3 运动控制系统硬件设计

4．3．1 PMAC运动控制卡及附卡简介

4．3．2 电机与驱动系统

4．3．3 姿态采集系统

4．3．4 深度传感器

4．4 运动控制系统软件设计

4．4．1 Visual Basic汇编语言

4．4．2 PMAC常用变量

4．4．3 软件程序设计

4．5 本章小结

5．1 引言

5．2 通讯及推进机构测试

5．2．1 通讯测试

5．2．2 推进机构测试

5．3 水下机器人室内水池试验

5．3．1 直行运动试验

5．3．2 转向运动试验

5．3．3 垂直运动试验

5．4 水下机器人室外水域试验

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文和参加科研情况