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水下机器人运动控制与路径规划研究

作　者: 陆柳延
导　师: 王妹婷
学　校: 扬州大学
专　业: 电机与电器
关键词: 水下机器人数学建模 PID控制局部避障模糊算法运动仿真
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

我国江河湖海水域众多、资源丰富,是最具有发展潜力的战略空间,我国政府已把海洋开发作为21世纪的国民经济与社会发展战略重点之一。由于水下环境的复杂性和不确定性,水下机器人被研究用于代替人类潜入水中完成某些操作。对水下机器人进行运动控制和局部的路径规划,是使机器人在未知环境中通过手动或自动的控制,能够行驶到设定的目标位置完成水下观测任务的关键技术。本文研究对象为水底观测型有缆ROV,其外形设计为封闭式,且具有水动力性能优良的流线型外形,通过尾部螺旋桨提供水下机器人的推进动力,1对水平翼和1个垂直舵控制水下机器人的运动方向。本文首先参照鱼雷的数学建模思想,建立了水下机器人的空间运动学模型,并根据实际工作需求和控制特点进行简化,得出深度、艏向角和纵倾角等控制参数的控制模型。在此基础上,分别建立定深、定向和定纵倾角3个独立的运动控制系统模型,并采用经典PID控制算法完成了水下机器人的运动控制仿真,为后续控制器的设计提供了理论依据。同时根据仿真过程中加入扰动信号后体现出的系统抗干扰能力较薄弱的特点,提出采用模糊自适应PID控制算法对控制系统进行优化,最后通过仿真验证了该算法的有效性。其次,本文讨论了基于模糊算法的水下机器人局部路径规划,详细介绍了该路径规划算法的原理及具体实现过程。提出根据障碍物的不同特征对应采用不同的模糊控制规则库,优化机器人避障系统。通过Matlab仿真环境,模拟测距声呐对环境进行探测,得到一定范围内的障碍物与目标信息,经模糊控制器实时调整水下机器人的运动偏转角度,有效地避开障碍物,实现机器人准确到达预定目标点的目的,验证了该算法的可行性。最后,本文为实现水下机器人的实际工程运用,建立了水下机器人的运动控制平台。详细介绍了水面以及水下的软、硬件系统,编译了以PLC作为水下控制系统处理器的模块程序,实现了接收各类传感器信息以及控制水下运动的任务。并以Visual C#作为上位机开发工具设置监控界面并编写通信程序,实现人机交互控制。本文通过计算机和Matlab仿真平台得出的关于水下机器人的运动控制和路径规划的结论,为后续者进行水下机器人水域实验提供了理论基础。

全文目录

中文摘要  8-9
Abstract  9-11
第一章绪论  11-18
  1.1 研究意义  11
  1.2 水下机器人研究现状与发展趋势  11-13
    1.2.1 水下机器人研究现状  11-12
    1.2.2 水下机器人发展趋势分析  12-13
  1.3 水下机器人控制技术分析  13-16
    1.3.1 运动控制系统的基本回路  13-14
    1.3.2 运动控制系统的控制算法  14-15
    1.3.3 水下机器人局部路径规划  15-16
  1.4 本文研究的对象及内容  16-18
    1.4.1 研究对象  16
    1.4.2 主要研究内容  16-18
第二章水下机器人运动控制模型研究  18-35
  2.1 引言  18
  2.2 水下机器人空间坐标系及运动参数定义  18-21
    2.2.1 坐标系建立  18
    2.2.2 水下机器人运动参数定义  18-20
    2.2.3 惯性坐标系和运动坐标系转换  20-21
  2.3 空间运动方程  21-22
  2.4 水下机器人运动受力分析  22-28
    2.4.1 螺旋桨推力  22-23
    2.4.2 控制面作用力  23
    2.4.3 流体水动力  23-28
  2.5 水下机器人运动控制模型  28-33
    2.5.1 水平面运动方程简化式  29-30
    2.5.2 水平面运动控制模型及其开环仿真  30-32
    2.5.3 纵垂面运动方程简化式  32
    2.5.4 纵垂面运动控制模型及其开环仿真  32-33
  2.6 本章小结  33-35
第三章基于PID的水下机器人运动控制仿真  35-50
  3.1 引言  35
  3.2 增量式PID控制算法  35-36
  3.3 PID控制器在水下机器人上的应用  36-43
    3.3.1 深度闭环控制系统及其仿真  37-39
    3.3.2 艏向角闭环控制系统及其仿真  39-41
    3.3.3 纵倾角闭环控制系统及其仿真  41-43
  3.4 模糊自适应PID控制算法  43-46
    3.4.1 模糊控制的基本原理  43-45
    3.4.2 模糊自适应PID控制原理  45-46
  3.5 模糊自适应PID控制器在水下机器人上的应用  46-48
    3.5.1 模糊控制器的设计  46-47
    3.5.2 基于模糊自适应PID的定深控制  47-48
  3.6 本章小结  48-50
第四章基于模糊算法的水下机器人局部路径规划  50-63
  4.1 引言  50
  4.2 局部避碰策略研究  50-51
  4.3 基于模糊算法的实时避障工作原理  51-53
    4.3.1 距离d的求取  51-53
    4.3.2 夹角α的求取  53
  4.4 模糊控制器的设计  53-57
    4.4.1 确定输入量和输出量模糊语言及其隶属度函数  53-55
    4.4.2 建立路径规划的模糊控制规则库  55-56
    4.4.3 路径规划的模糊推理和解模糊  56-57
  4.5 基于模糊算法的路径规划仿真实现  57-62
    4.5.1 仿真平台构建  57-59
    4.5.2 仿真实验结果  59-62
  4.6 本章小结  62-63
第五章水下机器人运动控制系统研究  63-79
  5.1 引言  63
  5.2 水下机器人运动控制系统组成  63-64
  5.3 水下机器人水面控制系统  64-67
    5.3.1 PLC编程口与PC机的通信协议  64-65
    5.3.2 Visual C#实现串口通信  65-66
    5.3.3 上位机操作界面的设计  66-67
  5.4 水下机器人水下控制系统  67-78
    5.4.1 主处理器  67-69
    5.4.2 推进系统  69-71
    5.4.3 图像采集系统  71-72
    5.4.4 位姿信息采集系统  72-76
    5.4.5 基于PLC的PID控制实现  76-78
  5.6 本章小结  78-79
第六章工作总结与展望  79-81
  6.1 工作总结  79-80
  6.2 展望  80-81
参考文献  81-84
致谢  84-85
攻读硕士学位期间发表论文说明  85-86

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