基于可旋轉(zhuǎn)推進器的水下機器人運動控制研究.pdf

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1、第1期機械設(shè)計與制造2012年1蜀MachineryDesign&Manufacture155文章編號：1001—3997(2012)Ol一0155—03基于可旋轉(zhuǎn)推進器的水下機器人運動控制研究木凌波1,2李碩曾俊寶(’中國科學(xué)院沈陽自動化研究所機器人學(xué)國家重點實驗室，沈陽110016)(z中國科學(xué)院研究生院，北京100049)ResearchonmotioncontroIofAUVbasedonrotatablethrusterLINGBo．LIShuo．ZENGJun—bao(StateKeyLaboratoryofRobotics，ShenyangInstituteofAutom

2、ation，Shenyang110016，China)(GraduateSchoolofChineseAcademyofScience，Beijing100049，China)l【摘要】通過對水下機器人在運動過程中的受力以及力矩分析，水下機器人采用可旋轉(zhuǎn)推進器，；}所以要實現(xiàn)六自由度的運動只需要4個推進器，采用推進器布局。建立了基于可旋轉(zhuǎn)推進器的水下機《}器人六自由度運動方程，并有針對性的對六自由度運動方程進行了問x-x-化。水下機器人運動控制的分析；l離不開動力學(xué)模型，所以對其進行受力和力矩分析是必要的。在簡化的運動方程的基礎(chǔ)上設(shè)計了運動i；控制系統(tǒng)，并使用Matlab對其進行仿真驗

3、證?！秨關(guān)鍵詞：可旋轉(zhuǎn)推進器；水下機器人；能耗；運動控制{l【Abstract]ThroughanalyzingtheforceandtorqueonAuVinmotionprocess，rotatablethrusteris2adoptedforAUVandfottrthrustersshalfbeappliedtorealize6D0Fmotion．Thenthe6一D0Fkineticse一2}quationofAUVisestablishedbasedonrotatablethruster．whichwillbesimplifiedspecidly．Asitisknown《；k

4、ineticsmodeZisrequiredtoanalyzemotioncontrolD廠theAUV，whichbearingforceandtorqueisthereforeilnecessarytoanalyze．Basedonthesimpledmotionequationthemotioncontrolsystemisdesignedwhichj}6e，nzed肌deredby，z．{；Keywords：Rotatablethruster；AUV；Energyconsumption；Motioncontrol；中圖分類號：TH16文獻標識碼：A．1—日J，_U·—吾j—我們

5、在設(shè)計水下機器人特別是AUV的時候，能耗是不得不考慮的問題。推進系統(tǒng)又是所有設(shè)備中消耗功率最大的設(shè)備之一，所以提高推進器的工作效率和降低能耗是延長水下作業(yè)時間的一個有效手段。單方向固定布置的推進器無法實現(xiàn)兩個自由度以上的運動控制，如果將兩個推進器固定在可旋轉(zhuǎn)推進器的支架上，通過推進器的轉(zhuǎn)動可以增加其運動控制能力。利用兩個可旋轉(zhuǎn)的推進器來實現(xiàn)水下機器人進退、升沉、橫搖和轉(zhuǎn)向四個自由圖1可旋轉(zhuǎn)推進器布局示意圖度的運動控制。如此配置推進器減少了推進器的數(shù)量，必然會降低推進系統(tǒng)的功耗，延長作業(yè)時間，改善其水下作業(yè)性能，為搭載更多的測量設(shè)備奠定基礎(chǔ)。2推進器布局及坐標系建立水下機器人采用可旋轉(zhuǎn)推

6、進器，所以要實現(xiàn)六自由度的運動只需要4個推進器，采用的推進器布局，如圖1所示。兩側(cè)的兩個可旋轉(zhuǎn)推進器1和2與中心軸對稱安裝?？尚D(zhuǎn)推進器的旋轉(zhuǎn)圖2大地坐標系圖3載體坐標系是靠內(nèi)部一個伺服電機來控制，所以兩側(cè)的推進器是同步旋轉(zhuǎn)3水下機器人受力和力矩分析的；前后兩個槽道推進器3和4與橫向中心軸對稱安裝。為討論水下機器人運動控制的分析離不開動力學(xué)模型，所以對其水下機器人動力學(xué)問題，建立大地坐標系，如圖2所示。一般的大進行受力和力矩分析是必要的。地坐標系都取北東坐標系。為討論的方便，還建立了載體坐標系，如圖3所示。在建立坐標系的基礎(chǔ)上對水下機器人的運動狀態(tài)做3．1重力和浮力的合力以及合力矩如下

7、說明：=【，，，，，)=(“，，W，P，q，r)水下機器人在運動時受到重力和自身浮力的作用，載體坐式中：(，，，，)—機器人的位移向量；，0，機器人的橫滾角、俯標系建立在重心上，假設(shè)載體的浮心在z軸上為(0，0，)，所以仰角、艏向角。載體坐標系下的二者的合力以及合力矩可表示為：★來稿13期：2011-03—02★基金項目：機器人國家重點實驗室資助項目(RLZ200810)156凌波等：基于可旋轉(zhuǎn)推進器的水下機器人運動控制研究第1期一(一，)si