水下自治機(jī)器人底層運(yùn)動控制設(shè)計與仿真.pdf

1、水下自治機(jī)器人具有如下特點(diǎn)：動力學(xué)模型存在高度非線、強(qiáng)耦合、時變和參數(shù)不確定等特征，工作時受浪、流等環(huán)境因素干擾大，水下作業(yè)對空間姿態(tài)和路徑等常有特殊要求等。水下自治機(jī)器人的上述特點(diǎn)對控制系統(tǒng)提出了較高的要求，既要有較強(qiáng)的魯棒性、自適應(yīng)性，還必須具有足夠的運(yùn)動控制精度。目前，水下自治機(jī)器人底層運(yùn)動控制仍是水下自治機(jī)器人技術(shù)的重要難題之一，亟待解決。 本文研究工作主要圍繞水下自治機(jī)器人底層運(yùn)動控制開展，主要包括：水下機(jī)器人的機(jī)理建

2、模、虛擬樣機(jī)建模與應(yīng)用、空間姿態(tài)角動態(tài)控制和軌跡跟蹤等幾個方面。研究結(jié)論可為高層決策的執(zhí)行提供良好的操控基礎(chǔ)，為控制策略的制定提供依據(jù)，對于提高AUV總體性能有重要的實(shí)際應(yīng)用意義。 具體研究內(nèi)容如下： 1.建立海洋環(huán)境中水下機(jī)器人動力學(xué)模型和空間運(yùn)動學(xué)方程，并針對課題組開發(fā)的AUV樣機(jī)C－Ranger的機(jī)械本體特點(diǎn)，對機(jī)理模型進(jìn)行簡化與分解。 2.利用虛擬樣機(jī)分析軟件ADAMS和控制仿真軟件MATLAB/Simu

3、link聯(lián)合建立水下機(jī)器人虛擬樣機(jī)系統(tǒng)，在分析虛擬樣機(jī)系統(tǒng)機(jī)理模型的基礎(chǔ)上，給出了虛擬樣機(jī)物理模型及控制模型的建立過程；并利用該虛擬樣機(jī)系統(tǒng)對設(shè)計的AUV空間動態(tài)定位控制算法進(jìn)行基于動力學(xué)基礎(chǔ)的仿真分析，仿真結(jié)果表明虛擬樣機(jī)系統(tǒng)具有智能控制與動態(tài)控制交互仿真演示和AUV功能測試的能力。 3.將滑模變結(jié)構(gòu)控制器應(yīng)用到水下機(jī)器人姿態(tài)隨動控制上，在分析滑模變結(jié)構(gòu)控制原理及水下機(jī)器人姿態(tài)控制模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計出雙環(huán)滑模姿態(tài)控制器，利用M

4、ATLAB編出主控程序，并進(jìn)行了空間姿態(tài)控制仿真；仿真結(jié)果表明，設(shè)計的雙環(huán)滑模姿態(tài)控制器能夠使水下機(jī)器人快速準(zhǔn)確地響應(yīng)控制指令，實(shí)現(xiàn)預(yù)定的控制目標(biāo)。 4.在分析PF軌跡跟蹤問題的數(shù)學(xué)模型和非奇異終端滑?？刂茩C(jī)理的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于非奇異終端滑?？刂频难埠剿俣瓤刂破?、位置控制器和航向角度控制器三個子控制程序，并建立了軌跡跟蹤主控程序；依據(jù)C－Ranger具體參數(shù)，進(jìn)行軌跡跟蹤仿真，仿真結(jié)果表明控制器設(shè)計有效，跟蹤效果良好。