仿生型水下航行器运动控制系统的研究

摘要

近年来,仿生型水下航行器以其高速高效、机动性好、低噪声等优点成为仿生领域的研究热点。传统“螺旋桨+舵”式的水下航行器体积大,质量重,推进效率低,噪音大,流体扰动作用明显,低速时机动性能较差,使其在要求较高的场合无法使用,仿生型水下航行器应运而生。通过学习研究鱼类先进的推进技术,运用仿生学原理,设计推进效率高、机动性好、噪声低的仿生型水下航行器,有着重要的现实意义和应用价值。
　　本文首先对国内外仿生型水下航行器的发展状况进行相关介绍,分析了仿生型水下航行器在科研、军事以及海洋救捞等方面的应用。然后对不同推进方式的鱼类进行研究,通过比较可以得出鲹科鱼类最适合作为本文仿生的对象,对鲹科鱼类的游动的推进机理进行了全面深入的分析研究,建立了仿鲹科水下航行器的运动模型,进行了运动学分析,并计算出仿生型水下航行器尾部摆动产生的推进力,及其在水下运动受到的阻力。对动力学模型进行仿真,通过比较分析各种运动参数对仿生型水下航行器推进性能的影响,对运动控制系统的设计和优化提供了科学化建议。进而按照仿生学原理设计制作了四关节的仿生型水下航行器的尾部机构,并提出了一种基于单片机的尾部摆动的运动控制算法,该算法具有一定的普遍适用性,可用于多关节舵机的控制,并通过实验验证了该方法的可行性。
　　本文重点介绍了仿生型水下航行器控制系统的软硬件设计,硬件包括中央控制系统以及运动控制系统,软件包括运动控制算法以及单片机嵌入式程序。论文最后完成了仿生型水下航行器尾部运动控制的实验,通过设置不同参数,对尾部摆动进行了大量的实验。通过实验验证了仿生型水下航行器尾部机械设计的可行性,硬件系统的可靠性以及运动控制算法的有效性。本文解决了仿生型水下航行器尾部运动控制的多种问题,完善了尾部的结构设计,本设计方案达到了预期的效果。并为仿生型水下航行器进一步下水实验打下基础。

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1 绪论

1.1 引言

1.2 仿生型水下航行器国内外发展概况

1.3 仿生型水下航行器应用前景

1.4 课题研究的目的及意义

1.5 课题研究的主要工作

2 仿生型水下航行器的推进机理介绍

2.1 鱼类推进方式分类及比较

2.2 仿生型水下航行器推进机理研究

2.3 仿生型水下航行器结构设计分析

2.4 本章小结

3 仿生型水下航行器的运动分析

3.1 鲹科鱼类游动的机理

3.2 鱼类的简化模型

3.3 鱼体运动模型简化

3.4 仿生型水下航行器的运动分析

3.5 仿生型水下航行器动力学模型的建立

3.6 动力学模型仿真

3.7 本章小结

4 仿生型水下航行器控制系统的设计

4.1 中央控制系统

4.2 运动控制系统

4.3 本章小结

5 尾部运动控制方法与实验

5.1 尾部摆动的仿生设计

5.2 尾部摆动的控制方法

5.3 数字 PID 控制算法

5.4 仿生型水下航行器尾部运动控制实验

5.5 本章小结

6 总结与展望

参考文献

致谢

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