水下機器人—機械手系統(tǒng)運動規(guī)劃與控制技術(shù)研究.pdf

1、隨著陸地不可再生資源的不斷減少，海洋資源的開發(fā)和利用越來越受到人類的重視，含有作業(yè)機械手的水下機器人-機械手系統(tǒng)(UnderwaterVehicle-ManipulatorSystem，簡稱為UVMS)將成為人類開發(fā)和利用海洋資源過程中的重要工具，也是目前唯一能在深海作業(yè)的高技術(shù)裝備。UVMS屬于高度冗余、模型非線性的多自由度機械系統(tǒng)，在給定的水下作業(yè)任務(wù)下，研究其作業(yè)過程的運動規(guī)劃及控制技術(shù)，對提高其控制性能、可靠性和智能化水平，加快

2、其實用化進程具有重要的研究意義和實用價值。
　　為了開展UVMS運動規(guī)劃與控制技術(shù)的研究工作，本文研制了水下電動機械手的本體結(jié)構(gòu)，與小型AUV本體集成構(gòu)成UVMS實驗裝置;建立了UVMS運動學(xué)與動力學(xué)模型和仿真實驗平臺;研究了UVMS運動控制策略和運動規(guī)劃技術(shù)。
　　根據(jù)課題要求，研制了適合大深度作業(yè)的小型水下電動機械手本體結(jié)構(gòu)，與小型AUV本體集成構(gòu)成UVMS實驗裝置。根據(jù)設(shè)計指標，進行了機械手總體方案的設(shè)計。為了便于功能

3、的擴展和縮短機械手的研制周期，完成了機械手擺動關(guān)節(jié)的模塊化設(shè)計，并進行由模塊化擺動關(guān)節(jié)組合成多自由度機械臂的組裝實驗。根據(jù)機械手的操作對象，進行了具有纜繩剪切功能末端執(zhí)行器的設(shè)計。
　　建立UVMS運動學(xué)與動力學(xué)模型和仿真實驗平臺。在UVMS建模方面，建立了系統(tǒng)的正向運動模型，并根據(jù)建立的運動學(xué)模型推導(dǎo)了系統(tǒng)的雅可比矩陣和運動學(xué)逆解。為了解決運動坐標系下速度不可積的問題，引入Quasi-Lagrange方程建立了系統(tǒng)在靜水和海流環(huán)

4、境下的動力學(xué)模型。為了研究UVMS運動規(guī)劃與控制方法，建立了UVMS仿真實驗平臺，并給出了用于仿真的UVMS、直流電機和螺旋槳數(shù)學(xué)模型。
　　研究UVMS運動控制策略。為了對UVMS進行運動控制，設(shè)計了基于速度PI和位置PD的雙閉環(huán)PID運動控制器，以縮短速度響應(yīng)的時間，同時抑制或減小位置超調(diào)量。針對PD控制方法對水下機器人進行位置控制時穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時間過長的問題，提出一種基于三次根號函數(shù)平滑切換的滑模模糊位置控制方法。在靜水和海流作

5、用下，采用以上控制方法對UVMS進行運動控制仿真實驗，對比分析了不同控制方法的控制性能。
　　研究UVMS運動規(guī)劃技術(shù)。為了避免UVMS作業(yè)時機械手與水下機器人相碰以及關(guān)節(jié)運動超出極限范圍，對UVMS進行了關(guān)節(jié)限位運動規(guī)劃。針對傳統(tǒng)關(guān)節(jié)限位算法中關(guān)節(jié)由中間值向其兩個極限位置運動時運動一直受限的問題，通過對關(guān)節(jié)勢函數(shù)和懲罰調(diào)節(jié)因子進行重新定義，提出一種改進的加權(quán)最小范數(shù)關(guān)節(jié)限位運動規(guī)劃方法。在靜水環(huán)境下對改進的運動規(guī)劃方法進行了仿真