水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)控制技術(shù)研究

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1、密級(jí)公開(kāi)分類(lèi)號(hào)ＴＰ２４２．３＇ＡＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＸＩＩＣＡＬＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ碩士學(xué)位論文題目：水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)控制技術(shù)研究作者：趙彥飛指導(dǎo)教師：田軍委教授申請(qǐng)學(xué)位學(xué)科：機(jī)械電子工程２０１８年５月４日水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)控制技術(shù)研究學(xué)科：機(jī)械電子工程研究生簽字：指導(dǎo)老師簽字：摘要由于陸地資源的逐漸匱乏，人們開(kāi)始對(duì)海洋不斷的進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)。因此水下機(jī)器人就成為了開(kāi)發(fā)海洋資源的重要手段之一，它可以代替人在海洋中完成一些高難度的水下探測(cè)以及水下作業(yè)等任務(wù)，所以在很多領(lǐng)域中都用到了水下機(jī)器人技術(shù)。在研究水下機(jī)器人技術(shù)中

2、最核心的就是運(yùn)動(dòng)姿態(tài)控制技術(shù)，所以本文就對(duì)水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)控制技術(shù)進(jìn)行展開(kāi)研究。首先，本文根據(jù)水下機(jī)器人的功能要求和性能指標(biāo)提出了總體運(yùn)動(dòng)控制方案，并且詳細(xì)的介紹了水下機(jī)器人在水中是如何完成運(yùn)動(dòng)控制的；由于實(shí)驗(yàn)條件的限制無(wú)法對(duì)水下機(jī)器人進(jìn)行水下實(shí)驗(yàn)，利用SolidWorks完成了模擬運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)結(jié)構(gòu)的三維建模，并且對(duì)水下機(jī)器人的姿態(tài)傳感器以及推進(jìn)器進(jìn)行了成功的調(diào)試。其次，本文建立了水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間坐標(biāo)系和六自由度空間運(yùn)動(dòng)模型。在對(duì)水下機(jī)器人的受力情況做出了詳細(xì)的分析的基礎(chǔ)上，將水下機(jī)器人的水下空間運(yùn)動(dòng)解耦為垂直面和水平面的運(yùn)動(dòng)。接著利用運(yùn)動(dòng)學(xué)方程對(duì)平面運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)學(xué)表

3、達(dá)，分別推導(dǎo)了艏向角、縱傾角和深度的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程以及得出了它們各自的傳遞函數(shù)，并進(jìn)行了開(kāi)環(huán)仿真。然后，本文對(duì)PID控制系統(tǒng)做了詳細(xì)的介紹，利用PID控制算法對(duì)水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行控制。利用MATLAB軟件中的simulink模塊對(duì)PID控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)縱傾角、偏航角、深度分別進(jìn)行了閉環(huán)仿真。從它們的單位階躍響應(yīng)曲線可以明顯看出，傳統(tǒng)的PID控制能夠勝任該控制對(duì)象的運(yùn)動(dòng)控制。但是，系統(tǒng)存在著超調(diào)量偏大，不穩(wěn)定等問(wèn)題。最后，本文利用傳統(tǒng)的PID控制和模糊控制結(jié)合成一種新型的模糊PID控制，這種控制器具有模糊控制和PID控制兩者的優(yōu)點(diǎn)，并利用MATLAB工具設(shè)計(jì)出了模糊PI

4、D控制器。通過(guò)傳統(tǒng)的PID控制和模糊PID控制分別對(duì)縱傾角、偏航角、深度分別進(jìn)行了閉環(huán)仿真。從它們的單位階躍響應(yīng)曲線可以明顯看出：模糊PID控制比傳統(tǒng)PID控制具有響應(yīng)速度快、超調(diào)量小、穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，所以模糊PID控制更能勝任水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)控制。關(guān)鍵詞：水下機(jī)器人；運(yùn)動(dòng)控制；PID控制；模糊PID控制ResearchonMotionattitudeControlTechnologyofUnderwaterVehicleDiscipline:mechatronicengineeringStudentSignature:SupervisorSign

5、ature:AbstractBecauseofthecontinuousscarcityoflandresources,peoplebegantoresearchanddeveloptheocean.Therefore,underwatervehiclehasbecomeoneoftheimportantmeanstodevelopmarineresources.Itcanreplacepeopleintheoceantocompletesomedifficultunderwaterexplorationandunderwateroperationsandothertask

6、s.Therefore,theunderwatervehicletechnologyisusedinmanyfields.Themotionattitudecontroltechnologyisthecoreintheresearchofunderwatervehicletechnology,sothispaperstudiesthemotionattitudecontroltechnologyofunderwatervehicle.Firstofall,accordingtothefunctionrequirementandperformanceindex,thispap

7、erproposestheoverallmotioncontrolschemeofunderwatervehicle,andintroducesindetailhowtheunderwaterrobotcancompletethemotioncontrolinwater.Duetothelimitationoftheexperimentalconditions,theunderwaterrobotcannotbetestedunderwater,the3Dmodelingofsimulatedmotioncontr