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自主式水下机器人的分布式运动控制系统算法与实现

作　者: 韩盈盈
导　师: 何波
学　校: 中国海洋大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 水下机器人 分布式 运动控制 CAN
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 110次
引　用: 6次
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内容摘要


随着自主式水下机器人(AUV, Autonomous Underwater Vehicle)在海洋科学考察和军事领域得到越来越广泛的应用。其运动控制算法及运动控制系统越来越受到人们的重视。各种各样的运动控制理论、结构、方法出现并运用到自主式水下机器人当中,取得了很多宝贵的数据和经验。运动控制是水下机器人完成任务的关键技术之一,近年来引起了许多控制领域专家、学者的注意。目前水下潜器大多采用集中式或分布式两种控制结构,控制方法有PID控制、神经网络控制、模糊控制、滑模变结构控制、自适应控制等,还有上述方法相互结合诸如模糊PID,模糊神经网络,自适应PID等等多种方法。很多方法只停留在理论研究或是仿真阶段,也有的已应用于实体潜器,但存在一些问题。本文旨在提出一种适用于多推进器AUV的分布式运动控制算法,并对该算法进行基于仿真和现场实验的验证研究。在结构体系上本方法采用分布式结构,控制方法上采用分布式的PID控制算法,将分布式的思想同时应用于控制体系结构和控制算法中。本文在课题原型样机C-RANGER的基础上,建立起运动模型和运动控制仿真平台,对分布式运动控制算法在MATLAB环境下进行了仿真研究,仿真结果表明该算法能够有效、稳定的实现对系统的运动控制。在此基础上,设计建立了C-RANGER运动控制的软、硬件系统,并给出了关键模块的设计和组建方法。同时,在实际海洋环境下进行了直线往返和螺旋线航行实验,实验结果表明,本文所提出的分布式运动控制算法和系统能够比较理想的完成预期规划的航线,各个控制量的跟踪也基本符合要求。该分布式运动控制算法有一定的通用性,适用于带有多个推进器的多自由度开架式AUV系统。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-7
目录  7-9
1. 绪论  9-19
  1.1 水下机器人研究现状  9-13
    1.1.1 国外水下机器人研究现状  10-12
    1.1.2 国内水下机器人研究现状  12-13
    1.1.3 水下机器人的发展方向  13
  1.2 自主式水下机器人运动控制技术  13-15
    1.2.1 运动控制的困难  13-14
    1.2.2 主要的运动控制方法  14-15
  1.3 分布式运动控制技术  15-16
  1.4 题目来源和意义  16-17
  1.5 本文的主要工作  17
  1.6 本文章节结构  17-19
2. C-RANGER的系统结构  19-23
  2.1 C-RANGER AUV  19-20
  2.2 坐标系与参数定义  20
  2.3 C-RANGER控制系统结构  20-21
  2.4 系统各部分功能  21-22
    2.4.1 任务层  21
    2.4.2 导航层  21-22
    2.4.3 控制层  22
    2.4.4 AUV实体  22
  2.5 小结  22-23
3. 分布式运动控制算法与仿真  23-43
  3.1 AUV运动的解耦  23-25
  3.2 分布式运动控制算法  25-30
    3.2.1 分布式运动控制体系结构  25
    3.2.2 分布式运动控制原理  25-27
    3.2.3 分布式运动控制器  27-30
  3.3 分布式运动控制仿真系统设计  30-34
    3.3.1 C-RANGER运动学模型  30-31
    3.3.2 推力布置及推力计算  31-32
    3.3.3 C-RANGER的MATLAB模型  32-33
    3.3.4 运动控制系统仿真平台  33-34
  3.4 分布式运动控制算法仿真研究  34-41
    3.4.1 仿真内容  34
    3.4.2 控制量的计算方法  34-35
    3.4.3 静水况下运动控制仿真结果  35-38
    3.4.4 海流、海浪下运动控制仿真结果  38-41
    3.4.5 仿真结果分析  41
  3.5 小结  41-43
4. C-RANGER分布式运动控制系统的实现与实验  43-63
  4.1 C-RANGER运动控制系统组成  43-44
  4.2 CAN总线在C-RANGER中的应用  44-46
    4.2.1 CAN总线概述  44-45
    4.2.2 CAN总线接口电路设计  45-46
  4.3 推进器及推进器测试系统  46-49
    4.3.1 C-RANGER推进器  46-47
    4.3.2 推进器测试系统设计  47-48
    4.3.3 推进器特性分析  48-49
  4.4 推进器驱动系统设计  49-52
    4.4.1 推进器功率驱动电路  49-50
    4.4.2 推进器控制调速电路  50
    4.4.3 推进器参数检测电路  50-51
    4.4.4 推进器状态监控系统  51-52
    4.4.5 推进器驱动系统的电磁兼容性  52
  4.5 无接触式纹波测速系统设计  52-56
    4.5.1 纹波测速原理及优点  53-54
    4.5.2 纹波信号提取与整形  54
    4.5.3 纹波频率测量  54-56
  4.6 控制器设计  56-57
  4.7 上层控制系统设计  57-58
  4.8 分布式运动控制系统的现场实验  58-62
    4.8.1 现场试验场地  58
    4.8.2 实验内容及方案  58-59
    4.8.3 实验结果与分析  59-62
  4.9 小结  62-63
5. 总结与展望  63-64
参考文献  64-67
致谢  67-68
个人简历  68-69
攻读硕士期间发表的学术论文与研究成果  69

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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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