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圆碟形水下机器人的设计及运动控制

作　者: 张超
导　师: 叶秀芬
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 模式识别与智能系统
关键词: 圆碟形水下机器人外形优化结构设计硬件设计模糊PID
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

海洋是地球覆盖面最广的区域，它为人类提供了丰富的生物资源、动物资源和矿物资源。对海洋的探索和开发已经成为人类科学发展的重要组成部分。水下机器人的出现，为人类对于海洋的丌发贡献了不可或缺的力量。因此对水下机器人的研究己成为众多科研人员着重研究的内容。本文针对圆碟形水卜机器人的设计及运动控制进行了全面研究,包括外形轮廓设计、整体设计、硬件设计及运动控制器设计几个方面。首先，提出圆碟形水下机器人的外形方案，利用Pro-Engineer三维制图软件设计了圆碟形的外形，导入GAMBIT进行网格离散化，并通过FLUENT流体汁算软件针对圆碟形的设计方案进行流体计算分析。通过表面伍力分布分析证明圆碟形外形的可行性及优势。然后通过对外形对比优化，设计了两个同样体积，不同直径、不同厚度的外壳，从直航阻力和翻滚扭矩两个方而进行对比总结出选择其轮廓的原则和方法，总结出选择外形轮廓的标准。其次，确定了圆碟形水下机器人的外形轮廓的基础上，基于该外形轮廓对圆碟形水下机器人的整体结构进行了合理的设计。建立了圆碟形水下机器人的运动分析坐标系，并利用该坐标系针对圆碟形水下机器人设计中，在水下的工作情况、工作模式及运动方式进行分析，确定了圆碟形水下机器人姿态调整方案。进行其内部结构设计，将所有部件合理的布置在圆碟形的外形轮廓中。设计同时考虑到了重心位置、浮心位置的布置，并得出其整体的物理性质表。为圆碟形水下机器人良好的操控性打下基础。再次，针对圆碟形水下机器人的硬件系统进行设计，其间根据设计的需要选取了合适的姿态传感器MTI、图像传感器、深度传感器等，研究如何通过上位机下位机的控制原理将各种设备合理、紧密的联系到一起，实现水下机器人各项功能的硬件基础。然后，设计了增益调整型模糊PID控制器作为其运动控制的控制方案。针对圆碟形水下机器人的特点选择了增益调整型模糊PID控制方案为该水下机器人的整体控制方法，通过偏差和偏差变化率实时的修正PID控制器的比例系数、积分系数、微分系数三个量，达到模糊控制与P1D控制结合的目的。最后，设计了水池实验，测试该水下机器人的特性及控制结果。通过极限性实验测试了该水下机器人的极限线速度和极限姿态角，明确了该水下机器人在水中工作的极限能力。然后通过运动控制实验，测试了模糊PID控制器对姿态调整及航向调整控制的结果，对比传统PID控制器可以看出模糊PID控制器较好的控制效果.最终通过航行实验证明了该水下机器人再水下有较好的工作能力。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第1章绪论  11-17
  1.1 课题的目的和意义  11-12
  1.2 国内外研究现状及发展趋势  12-15
    1.2.1 水下机器人国内外研究现状  12-13
    1.2.2 变质心原理的研究现状  13-14
    1.2.3 水下机器人研究的发展趋势  14-15
  1.3 本课题的技术难点与结构安排  15-17
    1.3.1 需要解决问题及技术难点  15-16
    1.3.2 本文的结构安排  16-17
第2章圆碟形外形的设计及优化  17-27
  2.1 圆碟形外形的提出及分析  17-18
  2.2 圆碟形外形可行性仿真  18-24
    2.2.1 相关软件简介  18-19
    2.2.2 实体建模  19-20
    2.2.3 网格划分  20
    2.2.4 计算过程及参数的选定  20-23
    2.2.5 计算结果  23-24
  2.3 圆碟形外形对比优化  24-25
  2.4 本章小结  25-27
第3章圆碟形水下机器人整体设计  27-38
  3.1 坐标系的建立及坐标变换  27-29
    3.1.1 坐标系的建立  27-28
    3.1.2 惯性坐标系与体坐标系的坐标变换  28-29
  3.2 水下机器人的运动方式实现  29-34
    3.2.1 水平面运动实现  29-31
    3.2.2 姿态调整实现  31-34
  3.3 水下机器人结构的确定  34-37
    3.3.1 重心与浮心的位置分析  34-35
    3.3.2 整体位置结构的确定  35-37
  3.4 本章小结  37-38
第4章圆碟形水下机器人硬件设计  38-53
  4.1 硬件结构概述  38-39
  4.2 应用层硬件介绍  39-43
    4.2.1 工业控制主板  39-42
    4.2.2 无线网络传输协议  42-43
  4.3 基于 STM32 主控制器的底层硬件  43-49
    4.3.1 STM32 处理器  43-45
    4.3.2 本文中 STM32 控制系统  45-48
    4.3.3 电机驱动器  48-49
  4.4 应用层硬件与底层硬件信协议  49-50
  4.5 传感器系统  50-51
    4.5.1 三轴姿态传感器（MTI）  50-51
    4.5.2 图像传感器  51
    4.5.3 深度传感器  51
  4.6 本章小结  51-53
第5章基于模糊 PID 的运动控制  53-66
  5.1 经典 PID 控制器  53-55
  5.2 模糊控制器  55-57
    5.2.1 传统模糊控制器  55-56
    5.2.2 广义模糊控制器  56-57
  5.3 基于增益调整方法的模糊 PID 控制  57-65
    5.3.1 增益调整型的控制流程  57-58
    5.3.2 模糊控制部分的确定  58-64
    5.3.3 PID 控制部分的确定  64-65
  5.4 本章小结  65-66
第6章水池实验  66-73
  6.1 实验条件介绍  66-67
    6.1.1 实验环境  66-67
    6.1.2 实验软件  67
  6.2 运动极限性实验  67-69
    6.2.1 极限线速度实验  67-68
    6.2.2 极限姿态角实验  68-69
  6.3 自动控制实验  69-71
    6.3.1 偏航角度调整实验  69-70
    6.3.2 姿态调整实验  70-71
  6.4 水平航行实验  71-72
  6.5 本章小结  72-73
结论  73-75
参考文献  75-79
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  79-80
致谢  80

圆碟形水下机器人的设计及运动控制

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