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水下机器人运动控制器的设计

作 者: 郭志军
导 师: 高延滨
学 校: 哈尔滨工程大学
专 业: 模式识别与智能系统
关键词: 水下机器人 运动控制 模糊控制 DSP
分类号: TP242
类 型: 硕士论文
年 份: 2013年
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内容摘要


水下机器人的应用越来越广,其运动控制的性能是决定水下机器人完成水下作业任务的重要因素,而运动控制的关键是运动控制器的设计。本文以课题组研制的水下机器人为研究对象,研究基于数字信号处理器的水下机器人运动控制器系统,满足水下机器人的水下运动作业需要。论文首先借鉴国内外水下机器人研究成果,根据总体任务需要,研究了水下机器人总体结构形式,着重确定了水下机器人推进器数量及分布,同时对水下机器人进行详尽的受力分析,确定水下机器人各方向的力和力矩,在此基础上确定运动坐标系,建立了水下机器人运动控制模型。然后对水下机器人运动控制系统进行设计。根据系统的总体设计要求,确定水下机器人运动控制系统的核心控制器,以此为基础确定系统外围电路,分别建立了水下机器人的驱动系统、姿态采集系统、速度检测系统和深度检测系统。在驱动系统中,以飞思卡尔单片机为核心建立大功率无刷电机运动控制器,实现了五路水下电机的驱动系统;以光纤捷联惯导系统作为姿态采集系统,系统实时为水下控制器提供准确的姿态信息;采用多普勒流速计作为速度检测系统检测器件,与DSP组成速度检测系统;采用深度传感器为检测元件建立深度检测系统。再次,介绍了模糊控制算法,并基于系统的运动控制模型建立了模糊控制系统,并进行了控制仿真实验,验证方法的正确性和有效性。针对水下机器人受水下干扰的问题,进行了水下机器人静态和动态稳定性分析,确定稳定性判别条件。最后,搭建试验系统,测试通信系统和运动控制单元,验证系统基本功能,在此基础上进行了水平面航行试验和垂直面航行作业试验,还进行航线设定试,验证运动控制器的有效性和可行性。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第1章 绪论  11-21
  1.1 研究的目的和意义  11-13
    1.1.1 水下机器人的概念、分类  12-13
    1.1.2 水下机器人的用途  13
  1.2 水下机器人的国内外发展现状及趋势  13-17
    1.2.1 国外研究现状  13-15
    1.2.2 国内研究现状  15-16
    1.2.3 水下机器人的发展趋势  16-17
  1.3 运动控制系统设计简述  17-19
  1.4 本文研究内容  19-21
第2章 水下机器人的设计及运动模型的分析  21-34
  2.1 引言  21
  2.2 水下机器人总体介绍  21-22
    2.2.1 水下机器人设计的整体思路  21-22
    2.2.2 水下机器人形体的设计  22
  2.3 推进器的布置和受力分析  22-26
    2.3.1 推进器的类型及数量  22-23
    2.3.2 推进器的布局  23-24
    2.3.3 水下机器人空间运动受力分析  24-26
  2.4 动力学模型的建立  26-30
    2.4.1 坐标系的选取  26-27
    2.4.2 模型的参数定义  27-28
    2.4.3 坐标转换关系  28-29
    2.4.4 数学模型的建立  29-30
  2.5 基于 Simulink 和 S 函数的仿真建模  30-33
    2.5.1 Simulink 模型的结构  30-31
    2.5.2 运动方程的 S 函数  31-32
    2.5.3 仿真分析  32-33
  2.6 本章小结  33-34
第3章 水下机器人运动控制系统的介绍  34-50
  3.1 引言  34
  3.2 运动控制系统的总体组成  34-35
  3.3 DSP 控制器的介绍  35-41
    3.3.1 DSP 控制器 TMS320F2812 简介  35-36
    3.3.2 DSP 控制器各组成模块电路设计  36-39
    3.3.3 DSP 控制器功能实现的软件设计  39-41
  3.4 驱动系统的介绍  41-46
    3.4.1 飞思卡尔微控制器的介绍  41-43
    3.4.2 驱动电调介绍  43-45
    3.4.3 驱动系统软件实现  45-46
  3.5 辅助传感器的介绍  46-49
    3.5.1 姿态采集系统  46-47
    3.5.2 PCA2-M1VG 深度计  47-48
    3.5.3 多普勒流速仪  48-49
  3.7 本章小结  49-50
第4章 水下机器人运动控制算法与仿真  50-72
  4.1 引言  50
  4.2 模糊控制  50-58
    4.2.1 模糊控制基础理论  50-54
    4.2.2 模糊逻辑控制系统结构  54-58
  4.3 模糊控制系统的设计  58-64
    4.3.1 模糊控制器结构  58-59
    4.3.2 模糊控制器的论域  59-60
    4.3.3 模糊语言变量  60
    4.3.4 隶属函数及隶属度  60-61
    4.3.5 模糊规则  61-62
    4.3.6 模糊推理和解模糊  62-64
  4.4 模糊控制仿真  64-68
    4.4.1 水平面航行仿真  65-66
    4.4.2 垂直航行仿真  66-68
  4.5 控制器稳定性的研究  68-71
    4.5.1 静平衡稳定性分析  68-69
    4.5.2 运动稳定性分析  69-71
  4.6 本章小结  71-72
第5章 水下机器人运动控制试验  72-81
  5.1 引言  72
  5.2 系统中单元试验  72-74
    5.2.1 通信系统试验  72-73
    5.2.2 推进器测试  73-74
  5.3 运动控制系统试验  74-80
    5.3.1 水平面航行试验  75-78
    5.3.2 垂直面航行试验  78-79
    5.3.3 设定航线航行试验  79-80
  5.4 本章小结  80-81
结论  81-82
参考文献  82-84
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  84-85
致谢  85-86
附录  86

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人
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