auv水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究報(bào)告

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1、中國海洋大學(xué)工程學(xué)院機(jī)械電子工程研究生課程考核論文題目：AUV水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究報(bào)告課程名稱：運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)姓名：李思樂學(xué)號(hào)：21100933077院系：工程學(xué)院機(jī)電工程系專業(yè)：機(jī)械電子工程時(shí)間：2010-12-26課程成績：任課老師：譚俊哲AUV水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：以主推加舵控制的小型自治水下機(jī)器人為研究對象，建立了水下機(jī)器人的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行了分析。根據(jù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，對模型進(jìn)行了必要的簡化。設(shè)計(jì)了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。以成功研制的無纜自治水下機(jī)器人(AUV)為基礎(chǔ)，對其航行控制和定位控制方法進(jìn)行了較詳細(xì)的分析.同時(shí)介紹了它的推進(jìn)器布置、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、推力分

2、配等方法。最后展示了它的運(yùn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果。關(guān)鍵詞：水下機(jī)器人；總體設(shè)計(jì)方案；運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)；電機(jī)仿真1引言近年來國外水下機(jī)器人技術(shù)發(fā)展迅速，技術(shù)水平較高。其中，具有代表性的產(chǎn)品有：美國VideoRay公司開發(fā)出的Scout、Explorer、Pro等系列遙控式水下機(jī)器人，美國Seabotix公司研發(fā)的LBV-ROV系列，英國AC-CESS公司的AC-ROV系列。隨著海洋開發(fā)、探測的需求越來越強(qiáng)，水下機(jī)器人成為全世界研究的熱門課題。小型自治水下機(jī)器人具有低成本、小型化、操作靈活等特點(diǎn)成為近年來國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。自治水下機(jī)器人（AutonomousUnderwaterVehicles,AU

3、V）,載體采用模塊化設(shè)計(jì)思想,可根據(jù)需要適當(dāng)增減作業(yè)或傳感器模塊,載體采用魚雷狀流線外形,總長約2m,外徑25cm,基本模塊包括推進(jìn)器模塊、能源模塊、電子艙模塊、傳感器模塊以及GPS、無線電通訊模塊,基本傳感器有姿態(tài)傳感器、高度計(jì)、深度計(jì)和視覺傳感器,支持光纖通訊,載體可外掛聲學(xué)設(shè)備,通過光纖系統(tǒng)進(jìn)行遙控操作可實(shí)現(xiàn)其半自主作業(yè),也可在預(yù)編程指令下實(shí)現(xiàn)自主作業(yè)。系統(tǒng)基本模塊組成設(shè)計(jì)如圖1-1所示[1]。它具有開放式、模塊化的體系結(jié)構(gòu)和多種控制方式（自主/半自主/遙控），自帶能源。這種小型水下機(jī)器人可在大范圍、大深度和復(fù)雜海洋環(huán)境下進(jìn)行海洋科學(xué)研究和深海資源調(diào)查，具有更廣泛的應(yīng)用前景

4、。在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中充分考慮了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和操縱性?？刂破骶哂凶銐虻聂敯粜詠砜朔Ｕ`差，以及水動(dòng)力參數(shù)變化。圖1-1系統(tǒng)基本模塊組成設(shè)計(jì)2機(jī)器人物理模型2.1AUV物理模型為了研究AUV的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，確定運(yùn)行過程中AUV的位置和姿態(tài)，需要建立AUV的動(dòng)力學(xué)模型。為了便于分析，建立適合于描述AUV運(yùn)動(dòng)的兩種參考坐標(biāo)系，即固定坐標(biāo)系Eξηζ和運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系Oxyz，如圖2-1所示：包含5個(gè)推進(jìn)器，分別是艉部的2個(gè)主推進(jìn)器、艉部的1個(gè)垂向推進(jìn)器和艏部的2個(gè)垂向推進(jìn)器。左右對稱于縱中剖面，上和下、前和后都不對稱[2]。圖2-1AUV水下機(jī)器人物理模型1.2微小型水下機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析微小型

5、水下機(jī)器人總長1.5m，采用鋰電池作為能源，尾部為一對水平舵和一對垂直舵，單槳推進(jìn)，可攜帶慣導(dǎo)設(shè)備、探測聲納、水下攝像機(jī)、深度計(jì)等設(shè)備，設(shè)計(jì)巡航速度約2節(jié)。首先建立適合描述水下機(jī)器人空間運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系，其定義如圖2-2所示，慣性坐標(biāo)系為E?ξη?，運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系為o?xyz。建立的坐標(biāo)系，如圖1所示。圖中：E-ξηζ—慣性坐標(biāo)系；Oxyz—載體坐標(biāo)系。因?yàn)闄C(jī)器人在航行時(shí)速度不高（<4節(jié)），可以對機(jī)器人模型進(jìn)行線性化及一些簡化。載體坐標(biāo)系原點(diǎn)取于載體浮心處，在此坐標(biāo)系下，載體在三個(gè)方向上的受力及運(yùn)動(dòng)量表達(dá)為：力：F=[X,Y,Z]T力矩：M=[K,M,N]T速度：V=[u,v,w]T角速

6、率：ω=[p,q,r]T。圖2-2慣性和載體坐標(biāo)系在圖2-2定義的慣性坐標(biāo)系和運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系中，機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)向量表達(dá)為：η1=［xyz］T；η2=［φθψ］Tυ1=［uvw］T；υ2=［pqr］T式中：向量η1—機(jī)器人在慣性坐標(biāo)系中的位置；η2—其在慣性坐標(biāo)系中的姿態(tài)；φ—橫滾角；θ—俯仰角；ψ—航向角；υ1—機(jī)器人在載體坐標(biāo)系中的線速度（V）；2—其在載體坐標(biāo)系中的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度（ω）[3]。2總體方案設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)組成及工作原理小型水下觀測機(jī)器人主要由人機(jī)交互平臺(tái)、上位系統(tǒng)、下位系統(tǒng)、攝像機(jī)四部分組成，操作人員通過有線遙控，結(jié)合人機(jī)交互界面上的水下視頻圖像，只需扳動(dòng)上位系統(tǒng)控制面

7、板上相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制按鈕即可實(shí)現(xiàn)對水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，操作簡單、實(shí)用。圖2-3為水下機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖：圖2-3水下機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖2.2導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航是最常見和應(yīng)用最廣泛的導(dǎo)航系統(tǒng)，捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在工作時(shí)不依賴外界信息，也不向外界輻射能量，不易受到干擾破壞，是一種自主式導(dǎo)航系統(tǒng)。但單獨(dú)使用很難滿足水下航行所需的導(dǎo)航精度與定位要求，僅靠提高慣性傳感器的性能來提高的導(dǎo)航、定位精度是非常有限的。組合導(dǎo)航系統(tǒng)融合不同類型的導(dǎo)航傳感器的信息，使它們優(yōu)勢互補(bǔ)，經(jīng)過卡爾曼濾波