水下機(jī)器人-機(jī)械手系統(tǒng)姿態(tài)平衡控制技術(shù)研究.pdf

1、伴隨著陸地不可再生資源消耗的加劇，人類已經(jīng)把更多的目光投向蘊(yùn)含巨大資源的海洋，以緩解人類面臨的能源壓力。開發(fā)海洋需要先進(jìn)的技術(shù)和裝備，水下機(jī)器人以及水下自主作業(yè)系統(tǒng)，已經(jīng)被視為有效開發(fā)利用海洋資源的最主要設(shè)備。水下自主作業(yè)系統(tǒng)，是指在水下機(jī)器人上安裝一套或者多套水下機(jī)械手(即水下機(jī)器人-機(jī)械手系統(tǒng))，這已經(jīng)成為水下機(jī)器人發(fā)展的重要方向之一。穩(wěn)定可靠的水下機(jī)器人-機(jī)械手系統(tǒng)，是其能夠完成水下勘探、海底電纜鋪設(shè)等任務(wù)的有力保障。
　　

2、水下機(jī)器人-機(jī)械手系統(tǒng)具有強(qiáng)耦合、非線性、時變等特點(diǎn)。水下自主作業(yè)涉及到諸多問題，其中水下機(jī)械手作業(yè)時，如何保證水下機(jī)器人艇體的姿態(tài)平衡是需要解決的技術(shù)之一，本文針對這一問題展開研究。
　　本文針對水下機(jī)器人-機(jī)械手系統(tǒng)作業(yè)時對水下機(jī)器人艇體縱傾姿態(tài)與橫滾姿態(tài)的影響，研制了縱傾姿態(tài)平衡調(diào)整系統(tǒng)和橫滾姿態(tài)平衡調(diào)整系統(tǒng)。首先，研究姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)的方案和本體結(jié)構(gòu)。由于艇體本身質(zhì)量與體積的限制，本文研制了以聚乙烯為材料的盒體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了同步

3、齒形帶傳動機(jī)構(gòu)，以最大限度的利用艇體空間。其次基于上下位機(jī)主從控制方式，構(gòu)建姿態(tài)平衡調(diào)整控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了下位機(jī)的硬件電路。
　　研究姿態(tài)平衡調(diào)整控制技術(shù)。本文首先建立了水下機(jī)器人作業(yè)空間坐標(biāo)系，在推導(dǎo)水下機(jī)器人動力學(xué)方程，建立水下二自由度機(jī)械手?jǐn)?shù)學(xué)模型以及姿態(tài)平衡系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，建立靜態(tài)水下機(jī)器人-機(jī)械手系統(tǒng)縱傾姿態(tài)運(yùn)動方程和橫滾姿態(tài)運(yùn)動方程，為仿真實(shí)驗(yàn)提供技術(shù)支持。針對水下機(jī)器人-機(jī)械手系統(tǒng)本身非線性、時變性以及

4、水下作業(yè)環(huán)境復(fù)雜等特性，本文采用模糊控制技術(shù)與PID控制相結(jié)合的模糊PID控制方法，對姿態(tài)平衡調(diào)整系統(tǒng)進(jìn)行控制，通過輸入量模糊化，建立模糊控制規(guī)則，求出模糊關(guān)系矩陣以及去模糊化，最終完成了姿態(tài)平衡調(diào)整系統(tǒng)的模糊PID控制器設(shè)計(jì)。分別對采用常規(guī)PID控制器和模糊PID控制器的控制系統(tǒng)進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整仿真實(shí)驗(yàn)，并分析不同控制方法下的控制性能。仿真結(jié)果表明，模糊PID控制具有更好的性能。
　　搭建模擬水下機(jī)器人-機(jī)械手系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺，并進(jìn)行水

5、池實(shí)驗(yàn)。本文搭建了易于搬運(yùn)和拆裝的實(shí)驗(yàn)平臺載體；研制了具有平面二自由度的模擬機(jī)械手系統(tǒng)；設(shè)計(jì)了上下位思想的實(shí)驗(yàn)平臺控制系統(tǒng)，采用 LabView語言編寫了上位機(jī)控制程序以及人機(jī)交互界面，提高了實(shí)驗(yàn)平臺的可操作性。本文通過改變模擬水下機(jī)械手運(yùn)動規(guī)律，做了縱傾姿態(tài)平衡調(diào)整實(shí)驗(yàn)，橫滾姿態(tài)平衡調(diào)整實(shí)驗(yàn)以及縱橫聯(lián)調(diào)實(shí)驗(yàn)，并對多組水池實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，驗(yàn)證了本文所研制的姿態(tài)平衡調(diào)整系統(tǒng)具有良好的動態(tài)特性和較高的穩(wěn)態(tài)精度，證明了本文研制的姿態(tài)平衡調(diào)節(jié)