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一种新型水下球形机器人的若干关键技术研究

作　者: 兰晓娟
导　师: 孙汉旭；贾庆轩
学　校: 北京邮电大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 水下球形机器人动力学分析结构设计与优化姿态控制轨迹跟踪
分类号: TP242
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

水下球形机器人(Spherical Underwater Vehicles)作为一类结构特殊的水下机器人,具有耐压性能好、流体动力学计算无耦合、各向流体动力参数相等等优点,在水下考古探险、海底地貌观测与水产养殖等领域具有广泛的应用前景。本论文设计了一种可在水下灵活转向的新型单推进器水下球形机器人BYSQ-2型,并对其结构设计与优化、动力学建模、姿态控制、轨迹跟踪等关键问题进行了深入分析与实验研究。主要研究内容如下：(1)通过对国内外现有水下球形机器人构型的分析研究,提出一种依靠内部配重转动机构改变姿态的三驱动水下球形机器人的构型方案；采用凯恩方程研究在配重转动的过程中这种新构型水下球形机器人的运动特性,并通过对运动特性的分析验证所提出的构型方案的合理性与实用性。(2)假设机器人组成构件均为刚体,对水下球形机器人进行静力学与动力学分析,其中静力学部分包括浮力与重力,动力学部分包括推进力、科里奥利向心力、流体动力和内部作用力；综合受力分析结果,建立水下机器人的动力学模型。(3)根据构型方案设计水下球形机器人的机械结构,在确定推进器的型号之后,根据海军部系数原则采用遗传算法对导管内径尺寸进行优化设计,并根据整体平衡原则进行结构对称性设计与配重质量优化设计；将控制系统分为5个部分分别设计,其中主控制板主要用于直流无刷伺服电机的控制,控制指令采用无线方式传送；样机制作完成后,通过水池实验测试其性能。(4)通过流体力学计算、建模仿真和实验测量的方法分析导管中水力损失的百分比,得到引起水力损失的关键因素,并提出管口形状改进方法；建立待辨识流体动力参数的状态方程和观测方程,然后采集样机实验数据,采用自适应遗传算法对流体动力参数进行估计(5)分析姿态调节系统的欠驱动性与耦合性,并建立其动力学模型,利用坐标变换与控制输入变换对模型进行标准型处理,然后设计反演滑模变结构控制律；由于姿态模型中的系统之间存在耦合作用,需要引入耦合作用的控制量,并构造第二层滑动平面,仿真与实验研究验证了所设计的反演分层滑模控制律的有效性。(6)将水下球形机器人的运动分解为垂直面子系统与水平面子系统,然后分别研究轨迹跟踪控制方法。建立垂直面运动子系统的动力学模型,然后采用神经网络反演控制方法设计轨迹跟踪控制律,并通过仿真与实验对所设计的控制律进行验证；根据陀螺仪近似理论,研究水平面直线轨迹保持方法,重复实验证明水下球形机器人绕长轴的高速旋转可以有效的减弱水流干扰对水平面运动子系统航向角的影响。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-21
  1.1 引言  11
  1.2 水下球形机器人结构类型的研究现状  11-13
  1.3 水下机器人运动控制技术的研究现状  13-18
    1.3.1 基于控制律设计的水下机器人建模技术的研究现状  14-15
    1.3.2 欠驱动水下机器人运动控制技术的研究现状  15-18
  1.4 本论文研究的关键问题  18-19
  1.5 本论文的研究内容  19-21
第二章水下球形机器人的构型方案设计与运动特性分析  21-35
  2.1 引言  21
  2.2 水下球形机器人构型方案的设计  21-25
    2.2.1 水下球形机器人现有构型的分析  21-22
    2.2.2 新型三驱动水下球形机器人构型方案的设计  22-25
  2.3 水下球形机器人的运动特性分析  25-33
    2.3.1 多刚体系统的坐标系  25-26
    2.3.2 短轴电机工作时水下球形机器人的运动特性分析  26-31
    2.3.3 长轴电机工作时水下球形机器人的运动特性分析  31-33
  2.4 本章小结  33-35
第三章水下球形机器人的动力学分析  35-45
  3.1 引言  35
  3.2 水下球形机器人运动分析中的坐标系  35-37
    3.2.1 坐标系建立  35-36
    3.2.2 坐标系变换  36-37
  3.3 水下球形机器人的动力学模型  37-43
    3.3.1 水静力项分析  38
    3.3.2 输入推力与转矩计算  38-39
    3.3.3 惯性质量与附加质量分析  39-40
    3.3.4 科里奥利向心力的简化  40-41
    3.3.5 水动力阻力分析  41
    3.3.6 内部作用力分析  41-43
    3.3.7 水下球形机器人动力学模型的建立  43
  3.4 本章小结  43-45
第四章水下球形机器人机械结构与控制平台的设计  45-71
  4.1 引言  45
  4.2 水下球形机器人的结构设计与优化  45-54
    4.2.1 球形壳体的设计  47
    4.2.2 水下球形机器人水阻力分析与推进器选型  47-49
    4.2.3 基于海军部系数的导管内径尺寸的优化设计  49-51
    4.2.4 水下球形机器人的整体平衡设计  51-54
  4.3 水下球形机器人控制平台的总体设计  54-60
    4.3.1 电源系统设计  54-55
    4.3.2 主控制电路设计  55-56
    4.3.3 电机选型  56-58
    4.3.4 传感器选型  58-59
    4.3.5 软件方案设计  59-60
  4.4 水下球形机器人样机系统的组装  60-63
  4.5 水下球形机器人样机性能测试实验  63-69
    4.5.1 水下球形机器人实验条件  63-65
    4.5.2 水下球形机器人样机性能测试实验  65-69
  4.6 本章小结  69-71
第五章水下球形机器人的管道水力损失分析与流体动力参数辨识  71-85
  5.1 引言  71
  5.2 水下球形机器人的管道水力损失研究  71-76
    5.2.1 管道水力损失的计算  71-72
    5.2.2 管道水力损失的仿真研究  72-74
    5.2.3 管道水力损失的实验研究  74-75
    5.2.4 水下球形机器人的管道形状的改进  75-76
  5.3 水下球形机器人流体动力参数的辨识  76-84
    5.3.1 水下球形机器人的状态方程和观测方程的建立  77-78
    5.3.2 基于自适应遗传算法的流体动力参数辨识  78-79
    5.3.3 流体动力参数辨识实验的结果与分析  79-84
  5.4 本章小结  84-85
第六章水下球形机器人姿态控制方法的研究  85-99
  6.1 引言  85
  6.2 姿态调节系统的运动学分析  85-86
  6.3 姿态调节系统的动力学分析  86-88
  6.4 姿态调节系统动力学模型的建立  88-90
  6.5 姿态控制方法的研究  90-97
    6.5.1 反演滑模控制律的设计  91-94
    6.5.2 姿态控制系统的仿真研究  94-95
    6.5.3 姿态控制系统的实验研究  95-97
  6.6 本章小结  97-99
第七章水下球形机器人轨迹跟踪控制方法的研究  99-113
  7.1 引言  99
  7.2 垂直面运动子系统轨迹跟踪控制方法的研究  99-109
    7.2.1 垂直面子系统动力学模型的建立  100-101
    7.2.2 神经网络反演控制律的设计  101-104
    7.2.3 垂直面运动轨迹跟踪的仿真研究  104-106
    7.2.4 垂直面运动轨迹跟踪的实验研究  106-109
  7.3 水平面运动子系统直线轨迹保持方法的研究  109-111
    7.3.1 水平面运动子系统的动力学分析  109-110
    7.3.2 水平面运动直线轨迹保持的实验研究  110-111
  7.4 本章小结  111-113
第八章结论与展望  113-116
参考文献  116-121
致谢  121-122
攻读博士期间取得的研究成果  122

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