auv水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)-免費(fèi)閱讀
【正文】 水下航行體推進(jìn)器設(shè)計(jì)方法研究[J]，哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)。2005，24（4）：1516[3]． 馮常，竇普，陳樹才。本研究也為自行設(shè)計(jì)開發(fā)新型超小型水下機(jī)器人提供了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)且積累了相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。m，在t＝。逆變器根據(jù)電流控制模塊所控制PWM信號(hào)，順序?qū)ê完P(guān)斷，產(chǎn)生方波電流輸出。Saturation飽和限幅模塊將輸出的三相參考相電流的幅值限定在要求范圍內(nèi)。圖57表示的是滯環(huán)型PWM逆變器的工作原理。理想情況下，二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)的BLDC定子三相反電動(dòng)勢(shì)的波形如圖6所示。 圖55 BLDCM本體模塊結(jié)構(gòu)框圖及其封裝因此，獲得理想的反電動(dòng)勢(shì)波形是BLDC仿真建模的關(guān)鍵問題之一。圖52永磁無刷直流電機(jī)等效電路圖 基于Matlab的BLDC系統(tǒng)模型的建立，利用SimPowerSystemToolbox提供的豐富模塊庫，在分析BLDC數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，提出了建立BLDC控制系統(tǒng)仿真模型的方法，系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖53所示。(BLDC)的數(shù)學(xué)模型無刷直流電機(jī)由定子三相繞組、永磁轉(zhuǎn)子、逆變器、轉(zhuǎn)子磁極位置檢測(cè)器等組成，其轉(zhuǎn)子采用瓦形磁鋼，定子采用整距集中繞組，由逆變器供給方波電流?？梢杂弥绷麟姍C(jī)、交流電機(jī)。因此潛器在垂直面的控制實(shí)際上是一個(gè)多輸入多輸出系統(tǒng)。速度閉環(huán)控制回路的結(jié)構(gòu)如圖41所示。同上位系統(tǒng)一樣，也采用了順序結(jié)構(gòu)往復(fù)運(yùn)行。 水上控制箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)中，我們采用了常見的小型控制箱作為岸上控制平臺(tái)，其外形尺寸為372mm266mm134mm，具有體積小，攜帶方便的特點(diǎn)。圖32為以P87C591為核心的CAN總線接口電路?？偩€上各節(jié)點(diǎn)完成不同的任務(wù)和功能，它們大部分時(shí)間并行工作，必要時(shí)通過總線與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。 根據(jù)功能需要，我們選擇了TI 公司推出的MSP430 系列的MSP430F149 作為主處理器，這是一類具有16 位總線的帶FLASH 的單片機(jī)，由于其性價(jià)比和集成度高，受到了廣大技術(shù)開發(fā)人員的青睞。如圖26所示，建立固定于導(dǎo)管上的直角坐標(biāo)系Oxyz，以螺旋槳槳葉參考線與槳軸交點(diǎn)為原點(diǎn)，x 軸與槳軸中心線重合，指向槳的下游，y 軸垂直向上，z 軸方向由右手法則確定。為了改善這種情況可以采用充油電機(jī)，由于電機(jī)內(nèi)部充油，因而耐水壓的性能得到極大的改善，而且電機(jī)因密封而引起的摩擦力要小得多，其空載電流的增加也很小，故可以忽略不計(jì)。水下機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)水下空間的六維（六自由度）運(yùn)動(dòng)，即三個(gè)平移運(yùn)動(dòng)：推進(jìn)（Surge，沿x 軸）、升沉（Heave，沿z 軸）、橫移（Sway，沿y 軸）和三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：轉(zhuǎn)首（Yaw，繞z 軸）、縱傾（Pitch，繞y 軸）、橫搖（Roll，繞x 軸）。 導(dǎo)航系統(tǒng)的傳感器包括慣性測(cè)量器件IMU （陀螺儀和加速度計(jì)）、磁羅盤、深度計(jì)。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 角速率：ω=[p,q,r]T。圖11 系統(tǒng)基本模塊組成設(shè)計(jì)2 機(jī)器人物理模型 AUV 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。隨著海洋開發(fā)、探測(cè)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。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： 20101226 課程成績(jī)： 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(duì)象，建立了水下機(jī)器人的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行了分析。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)。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21 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。圖22 慣性和載體坐標(biāo)系在圖22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=［x y z］T； η2=［φ θ ψ］Tυ1=［u v w］T； υ2=［ p q r ］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]。其中IMU 通過三陀螺儀、三加速度計(jì)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(dǎo)航計(jì)算機(jī)相連。為使水下機(jī)器人在所有六維上的運(yùn)動(dòng)都是可控的，須適當(dāng)選用推進(jìn)器的數(shù)量和給予不同的布置。 采用磁耦合器就是利用電磁力傳遞扭矩，這樣減速器和螺旋槳之間沒有直接的機(jī)械聯(lián)系。推進(jìn)器工作時(shí)，導(dǎo)管、定子與槳共同沿x 軸負(fù)方向以勻速V0 前進(jìn)，同時(shí)槳葉繞x 軸以等角速度Ω旋轉(zhuǎn)[5]。該控制器可以在超低功耗模式下工作，對(duì)環(huán)境和人體的輻射小，可靠性能好，加強(qiáng)電干擾運(yùn)行不受影響，適應(yīng)工業(yè)級(jí)的運(yùn)行環(huán)境[6]。如圖31所示。P1. 0、P1. 1分別對(duì)應(yīng)CAN的收(RxDC)和發(fā)(TxDC)線。其內(nèi)部硬件模塊主要包含主處理器核心模塊和液晶顯示模塊，完成上下位機(jī)間的通訊，視頻圖像、傳感器信息的顯示，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。系統(tǒng)上電后，MSP430F149 微處理器首先進(jìn)入系統(tǒng)初始化程序，包括時(shí)鐘配置、I/O 口的初始化、外設(shè)模塊的初始化等。構(gòu)成航行速度閉環(huán)后可以較為精確地控制水下機(jī)器人在海底的航行速度。這里A0 為給定矩陣，A 為反饋矩陣，E 為誤差矩陣，H0、P 0 分別為給定的高度和縱傾角，H、P 分
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