水下分散自重构机器人控制系统研究与软件设计

摘要

水下分散自重构机器人是一种新的系统设计概念,它不同于常规水下机器人的集中式结构,系统由一定数量的少数几类模块组成,每个模块都是具有一定的运动、作业和环境感知功能的智能体,模块单元互联成网络共同实现总体功能,能根据环境和任务的具体要求进行构形变换,通过步态协调控制实现多种运动形式。
　　本文在前人研究的基础上,对水下分散自重构机器人的模块设计、控制系统设计、通信实现、构形变换、运动的协调与控制进行了深入的研究,并完善了其上层控制软件,实现了水下分自重构机器人运动控制功能。智能模块是自重构系统的胞元,采用了结构化和模块化的设计思想,增强了系统的可移植性和兼容性。论文在分析系统自重构原理的基础上,详细论述了模块设计中的舵机结构设计、浮力调节装置机械结构设计、对接装置设计、光电引导系统设计、智能单元设计和传感器原理与设计。运动控制单元采用了PID控制器的基本原理进行设计,并根据运动协调的基本特点,对水下自重构机器人的运动模式进行了研究。控制策略是自重构机器人研究的一个重要方面,现有的自重构机器人控制算法主要有分布式和集中式两种。而Agent特有的自治性、协作性等为自重构机器人的控制策略提供了一种新的思路。因此,本文结合多Agent系统的控制原理,构造了基于多Agent的运动控制策略模型。该模型能够将复杂任务分析构造成规模较小、相互协调、具有分布性的子任务,以降低计算量和求解的复杂性。运用CAN总线技术,实现了模块的联网控制。在考虑水下分散自重构机器人通信需求基础上,设计了自重构系统的应用层通信协议。通过报文滤波技术实现点对点与全局广播两种报文传送方式。模块不仅能够进行消息的应答反馈,还能够根据模块自身的运动状态,主动向上位机反馈一些特点的信息。上层软件是实现构形转换和步态控制的工具,上层软件通过CAN总线,与底层模块的单片机进行实时数据交换,协调各模块的运动,对模块进行集中与统一控制。论文中,分析了上层软件的技术需求,详细论述了软件的数据结构,软件结构功能,以及系统构形转换和步态控制的操作过程。然后,论文研究了水下分散自重构机器人构形转换的过程,详细阐述了蜿蜒运动、蠕动、章鱼运动的动作机理以及相应的控制方法。研究了对接操作过程中的末端对接面微调方法,采用速度关系雅可比矩阵求逆的方法,实现了自动对接。最后通过水池试验检测了USR的运动和构形变换能力。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 课题背景

1.2 分散自重构机器人的概念

1.3 国内外研究现状

1.4 本文的主要工作

第二章 水下分散自重构机器人模块设计

2.1 自重构机器人模块设计准则

2.2 水下自重构机器人模块设计原理、难点和类型

2.3 运动模块结构

2.4 搭载模块结构

2.5 小结

第三章 水下分散自重构机器人控制系统研究

3.1 水下分散自重构机器人的系统构形

3.2 多Agent 理论及其在机器人领域的应用

3.3 自重构机器人的控制系统分类

3.4 基于多Agent 的水下分散自重构机器人控制系统体系结构

3.5 小结

第四章 PC 机与机器人的通信实现

4.1 通信系统概述

4.2 CAN 总线介绍

4.3 水下分散自重构机器人通信系统硬件组成

4.4 基于CAN 的水下分散自重构机器人通信协议

4.5 模块内部通信

4.6 小结

第五章 水下分散自重构机器人上层软件开发

5.1 上层软件功能概述

5.2 构形控制及其基本原理

5.3 描述系统的数据结构

5.4 构形的步态控制模式

5.5 构形运动控制的实现

5.6 软件结构和功能

5.7 软件运行过程

5.8 小结

第六章 水下分散自重构机器人运动试验

6.1 系统测试

6.2 水池试验

6.3 小结

第七章 总结和展望

7.1 总结

7.2 创新性

7.3 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文