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水下机器人运动姿态控制技术的研究

作　者: 邢进
导　师: 徐克宝
学　校: 山东科技大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 水下机器人运动控制稳定性 PID BP神经网络 MATLAB仿真
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 43次
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内容摘要

水下机器人无论是在军事,还是在人类生产生活中都有广泛应用,而对其良好的运动姿态控制是水下机器人顺利完成任务的重要前提和保障。为了提高水下机器人的运动控制性能,其运动姿态控制技术的研究就成为了一个重要的研究课题。本论文基于国内外水下机器人设计的成功经验,首先建立适合描述水下机器人的坐标系,并在此基础上确定了其空间运动的数学模型。由于实际需要和控制器的设计,又对空间运动数学模型进行了适当简化,建立水平面运动方程和垂直面运动方程。然后分析了水下机器人在水中航行时受到的各种力,力矩以及直流电动机的调速系统和电动机转速与所产生推力大小的关系,并对水下机器人在水平面和垂直面内的运动稳定性进行判定。在以上工作的基础上,阐述了PID控制技术的基本原理和模拟PID调节器以及数字PID调节器,并介绍了两种PID调节器参数选择的方法,然后对水下机器人纵倾角、深度、偏航角三个控制参数运用PID控制器进行了控制,并仿真出它们的响应曲线。而后,又介绍了BP神经网络的有关知识,通过MATLAB工具箱里的一些函数对BP网络的设计,网络的算法实现,网络的训练和仿真进行了详细的叙述,并结合本设计建立了水下机器人的BP网络模型,对模型进行MATLAB仿真。最后,采用PID控制和BP神经网络控制相结合的控制方法,兼顾两者优点设计了一种水下机器人的BP神经网络PID控制器并做出其仿真曲线。经过相应的MATLAB软件仿真,证明了控制器设计的可行性,能较好的控制水下机器人的运动姿态,对后续研究开发有一定的参考意义。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
1 绪论  11-19
  1.1 研究背景及课题来源  11-12
  1.2 水下机器人的分类  12-13
  1.3 水下机器人的发展及研究现状  13-17
  1.4 课题的研究目的和意义  17-18
  1.5 课题的研究内容  18-19
2 水下机器人运动控制系统及性能分析  19-37
  2.1 坐标系的选取和运动参数的表示  19-23
  2.2 运动方程及受力分析  23-29
  2.3 直流他励电动机调速系统  29-31
  2.4 电动机转速与产生推力大小的关系  31-32
  2.5 水下机器人的运动姿态稳定性  32-36
  2.6 本章小结  36-37
3 水下机器人PID控制  37-50
  3.1 PID控制技术  37-44
  3.2 纵倾角θ、偏航角ψ及深度ξ的控制器设计及其仿真  44-49
  3.3 本章小结  49-50
4 水下机器人BP神经网络控制  50-66
  4.1 神经网络控制技术  50-52
  4.2 BP神经网络结构及设计参数选择  52-54
  4.3 BP神经网络的算法实现  54-56
  4.4 BP神经网络的MATLAB函数  56-58
  4.5 水下机器人的BP建模及MATLAB仿真实现  58-65
  4.6 BP神经网络的局限性  65
  4.7 本章小结  65-66
5 水下机器人BP神经网络PID控制  66-72
  5.1 BP神经网络的原理分析  66-68
  5.2 BP神经网络的PID控制算法实现  68-69
  5.3 水下机器人偏航角的BP神经网络PID控制建模及仿真实现  69-71
  5.4 本章小结  71-72
6 总结和展望  72-74
致谢  74-75
参考文献  75-78
作者攻读硕士学位期间发表的学术论文  78-79
附录  79-80

水下机器人运动姿态控制技术的研究

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