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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。
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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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