auv水下機器人運動控制系統(tǒng)設計(已修改)
2025-08-11 00:13 本頁面
【正文】 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 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： 20101226 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學模型并進行了分析。根據機器人結構的特點，對模型進行了必要的簡化。設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， 對其航行控制和定位控制方法進行了較詳細的分析. 同時介紹了它的推進器布置、控制系統(tǒng)結構、推力分配等方法。最后展示了它的運行實驗結果。關鍵詞：水下機器人；總體設計方案；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發(fā)展迅速，技術水平較高。其中，具有代表性的產品有：美國Video Ray 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LBVROV 系列，英國ACCESS 公司的ACROV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外研究的熱點。自治水下機器人（Autonomous Underwater Vehicles, AUV）,載體采用模塊化設計思想, 可根據需要適當增減作業(yè)或傳感器模塊, 載體采用魚雷狀流線外形, 總長約2 m, 外徑25 cm, 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), 也可在預編程指令下實現(xiàn)自主作業(yè)。系統(tǒng)基本模塊組成設計如圖11 所示[1]。它具有開放式、模塊化的體系結構和多種控制方式（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查，具有更廣泛的應用前景。在控制系統(tǒng)的設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，以及水動力參數變化。圖11 系統(tǒng)基本模塊組成設計2 機器人物理模型 AUV 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21 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21 AUV水下機器人物理模型 微小型水下機器人動力學分析，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，可攜帶慣導設備、探測聲納、水下攝像機、深度計等設備，設計巡航速度約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22 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：Eξηζ—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22 慣性和載體坐標系在圖22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=［x y z］T； η2=［φ θ ψ］Tυ1=［u v w］T； υ2=［ p q r ］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—其在載體坐標系中的轉動角速度（ω）[3]。2 總體方案設計 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23為水下機器人控制系統(tǒng)框圖：圖23 水下機器人控制系統(tǒng)框圖捷聯(lián)慣性導航是最常見和應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，經過卡爾曼濾波，得出系統(tǒng)導航參數的最優(yōu)估計， 以獲得比使用單一導航系統(tǒng)更高的性能和導航精度。采用磁羅盤和深度計分別與捷聯(lián)慣導系統(tǒng)構成的組合量測值作為卡爾曼濾波的量測值， 既可以用精度高的子系統(tǒng)的信息修正慣導誤差， 又可以用慣導對動態(tài)響應慢的子系統(tǒng)作補償和校正，從而綜合發(fā)揮各自優(yōu)點。導航計算機在保證導航運算速度和精度的同時， 還要具有豐富的外設接口，方便與外部多傳感器進行數據通信[4]。 導航系統(tǒng)的傳感器包括慣性測量器件IMU （陀螺儀和加速度計）、磁羅盤、深度計。其中IMU 通過三陀螺儀、三加速度計捷聯(lián)解算后獲得位置、速度、姿態(tài)共9 維信息，通過RS232 串口與導航計算機相連。以NEMA0183 格式傳輸信息到導航計算機。磁羅盤可以獲取當前載體三維姿態(tài)信息，通過RS232 串口與導航計算機相連，以NEMA0183 格式傳輸信息到導航計算機。深度計為液壓變送
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