auv水下機器人運動控制系統(tǒng)設(shè)計-展示頁
2024-08-14 00:13本頁面
【正文】 、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(dǎo)航計算機相連。導(dǎo)航計算機在保證導(dǎo)航運算速度和精度的同時， 還要具有豐富的外設(shè)接口，方便與外部多傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信[4]。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，經(jīng)過卡爾曼濾波，得出系統(tǒng)導(dǎo)航參數(shù)的最優(yōu)估計， 以獲得比使用單一導(dǎo)航系統(tǒng)更高的性能和導(dǎo)航精度。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(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)。圖22 慣性和載體坐標(biāo)系在圖22定義的慣性坐標(biāo)系和運動坐標(biāo)系中，機器人的空間運動向量表達(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)動角速度（ω）[3]。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(jìn)行線性化及一些簡化。建立的坐標(biāo)系，如圖1 所示。圖21 AUV水下機器人物理模型 微小型水下機器人動力學(xué)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(jìn)，可攜帶慣導(dǎo)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)。為了便于分析，建立適合于描述AUV 運動的兩種參考坐標(biāo)系，即固定坐標(biāo)系Eξηζ 和運動坐標(biāo)系Oxyz，如圖21 所示：包含5 個推進(jìn)器，分別是艉部的2 個主推進(jìn)器、艉部的1 個垂向推進(jìn)器和艏部的2 個垂向推進(jìn)器?？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。這種小型水下機器人可在大范圍、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。系統(tǒng)基本模塊組成設(shè)計如圖11 所示[1]。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。其中，具有代表性的產(chǎn)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。最后展示了它的運行實驗結(jié)果。設(shè)計了機器人的運動控制系統(tǒng)。中國海洋大學(xué)工程學(xué)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(xué) 號： 21100933077 院 系： 工程學(xué)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(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(xué)模型并進(jìn)行了分析。根據(jù)機器人結(jié)構(gòu)的特點，對模型進(jìn)行了必要的簡化。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(jìn)行了較詳細(xì)的分析. 同時介紹了它的推進(jìn)器布置、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、推力分配等方法。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。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。自治水下機器人（Autonomous Underwater Vehicles, AUV）,載體采用模塊化設(shè)計思想, 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2 m, 外徑25 cm, 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、深度計和視覺傳感器, 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)。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。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。圖11 系統(tǒng)基本模塊組成設(shè)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(xué)模型。左右對稱于縱中剖面，上和下、前和后都不對稱[2]。首先建立適合描述水下機器人空間運動的坐標(biāo)系，其定義如圖22 所示，慣性坐標(biāo)系為E ?ξη? ，運動坐標(biāo)系為o ? xyz 。圖中：Eξηζ—慣性坐標(biāo)系；Oxyz—載體坐標(biāo)系。載體坐標(biāo)系原點取于載體浮心處，在此坐標(biāo)系下，載體在三個方向上的受力及運動量表達(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。2 總體方案設(shè)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(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。 但單獨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。采用磁羅盤和深度計分別與捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)構(gòu)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(dǎo)誤差， 又可以用慣導(dǎo)對動態(tài)響應(yīng)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(dǎo)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。以NEMA0183 格式傳輸信息到導(dǎo)航計算機。深度計為液壓變送器，通過膜片感應(yīng)內(nèi)外側(cè)水壓差來確定水深，其輸出為4～20mA 模擬電流信號， 轉(zhuǎn)換為0～5V 的電壓信號后經(jīng)過16 位ADC 轉(zhuǎn)換模塊，串
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