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《auv水下機器人運動控制系統(tǒng)設(shè)計》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。
1、中國海洋大學工程學院機械電子工程研究生課程考核論文題目：AUV水下機器人運動控制系統(tǒng)研究報告課程名稱：運動控制技術(shù)姓名：李思樂學號：21100933077院系：工程學院機電工程系專業(yè)：機械電子工程時間：2010-12-26課程成績：任課老師：譚俊哲AUV水下機器人運動控制系統(tǒng)設(shè)計摘要：以主推加舵控制的小型自治水下機器人為研究對象，建立了水下機器人的數(shù)學模型并進行了分析。根據(jù)機器人結(jié)構(gòu)的特點，對模型進行了必要的簡化。設(shè)計了機器人的運動控制系統(tǒng)。以成功研制的無纜自治水下機器人(AUV)為基礎(chǔ)，對其航行控制和定位控制方法進行了較詳細的分析.同時介紹
2、了它的推進器布置、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、推力分配等方法。最后展示了它的運行實驗結(jié)果。關(guān)鍵詞：水下機器人；總體設(shè)計方案；運動控制系統(tǒng)；電機仿真1引言近年來國外水下機器人技術(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，水下機器人成為全世界研究的熱門課題。小型自治水下機器人具有低成本、小型化、操作靈活等特點成為近年來國內(nèi)外研究的熱點。自
3、治水下機器人（AutonomousUnderwaterVehicles,AUV）,載體采用模塊化設(shè)計思想,可根據(jù)需要適當增減作業(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、深度計和視覺傳感器,支持光纖通訊,載體可外掛聲學設(shè)備,通過光纖系統(tǒng)進行遙控操作可實現(xiàn)其半自主作業(yè),也可在預(yù)編程指令下實現(xiàn)自主作業(yè)。系統(tǒng)基本模塊組成設(shè)計如圖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），
4、自帶能源。這種小型水下機器人可在大范圍、大深度和復雜海洋環(huán)境下進行海洋科學研究和深海資源調(diào)查，具有更廣泛的應(yīng)用前景。在控制系統(tǒng)的設(shè)計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，以及水動力參數(shù)變化。圖1-1系統(tǒng)基本模塊組成設(shè)計2機器人物理模型2.1AUV物理模型為了研究AUV的運動規(guī)律，確定運行過程中AUV的位置和姿態(tài)，需要建立AUV的動力學模型。為了便于分析，建立適合于描述AUV運動的兩種參考坐標系，即固定坐標系Eξηζ和運動坐標系Oxyz，如圖2-1所示：包含5個推進器，分別是艉部的2個主推進器、艉部的1個垂
5、向推進器和艏部的2個垂向推進器。左右對稱于縱中剖面，上和下、前和后都不對稱[2]。圖2-1AUV水下機器人物理模型1.2微小型水下機器人動力學分析微小型水下機器人總長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，可攜帶慣導設(shè)備、探測聲納、水下攝像機、深度計等設(shè)備，設(shè)計巡航速度約2節(jié)。首先建立適合描述水下機器人空間運動的坐標系，其定義如圖2-2所示，慣性坐標系為E?ξη?，運動坐標系為o?xyz。建立的坐標系，如圖1所示。圖中：E-ξηζ—慣性坐標系；Oxyz—載體坐標系。因為機器人在航行時速度不高（<4節(jié)），可以對機器
6、人模型進行線性化及一些簡化。載體坐標系原點取于載體浮心處，在此坐標系下，載體在三個方向上的受力及運動量表達為：力：F=[X,Y,Z]T力矩：M=[K,M,N]T速度：V=[u,v,w]T角速率：ω=[p,q,r]T。圖2-2慣性和載體坐標系在圖2-2定義的慣性坐標系和運動坐標系中，機器人的空間運動向量表達為：η1=［xyz］T；η2=［φθψ］Tυ1=［uvw］T；υ2=［pqr］T式中：向量η1—機器人在慣性坐標系中的位置；η2—其在慣性坐標系中的姿態(tài)；φ—橫滾角；θ—俯仰角；ψ—航向角；υ1—機器人在載體坐標系中的線速度（V）；2—其在載
7、體坐標系中的轉(zhuǎn)動角速度（ω）[3]。2總體方案設(shè)計2.1系統(tǒng)組成及工作原理小型水下觀測機器人主要由人機交互平臺、上位系統(tǒng)、下位系統(tǒng)、攝像機四部分組成，操作人員通過有線遙控，結(jié)合人機交互界面上的水下視頻圖像，只需扳動上位系統(tǒng)控制面板上相應(yīng)的運動控制按鈕即可實現(xiàn)對水下機器人的運動控制，操作簡單、實用。圖2-3為水下機器人控制系統(tǒng)框圖：圖2-3水下機器人控制系統(tǒng)框圖2.2導航系統(tǒng)設(shè)計捷聯(lián)慣性導航是最常見和應(yīng)用最廣泛的導航系統(tǒng)，捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)在工作時不依賴外界信息，也不向外界輻射能量，不易受到干擾破壞，是一種自主式導航系統(tǒng)。但單獨使用很難滿足水下
8、航行所需的導航精度與定位要求，僅靠提高慣性傳感器的性能來提高的導航、定位精度是非常有限的。組合導航系統(tǒng)融合不同類型的導航傳感器的信息，使它們優(yōu)勢互補，經(jīng)過卡爾曼濾波
