超小型水下機器人的設(shè)計和控制.pdf

1、本文針對超小型水下機器人在運動中存在的問題，設(shè)計了一種新的超小型水下機器人的沉浮結(jié)構(gòu)形式，著重研究了其運動學(xué)動力學(xué)性能、探討了相應(yīng)控制算法、進行了水下試驗，具體研究內(nèi)容如下： 首先，超小型水下機器人由于體積小重量輕，在水中沉浮時懸停平衡控制困難，為此進行了一種新的活塞式沉浮系統(tǒng)設(shè)計(發(fā)明專利已授權(quán))，該系統(tǒng)使水下機器人能夠在無動力驅(qū)動的情況下，使其呈水平狀態(tài)穩(wěn)定懸浮在水中。論文還對整個系統(tǒng)的推力和阻力進行了分析和計算。

2、其次，超小型水下機器人是一種多參數(shù)、耦合性較強的系統(tǒng)，針對本文提出的結(jié)構(gòu)形式，在結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)了系統(tǒng)的解耦。在此基礎(chǔ)上，對水下機器人系統(tǒng)進行了變結(jié)構(gòu)PID控制、優(yōu)化調(diào)整參數(shù)控制、增加干擾水流信號的控制。通過一系列仿真及樣機試驗研究表明：變結(jié)構(gòu)PID控制對本文設(shè)計的沉浮系統(tǒng)的運動，能達到一定的懸?？刂菩Ч?。在無干擾水流情況下，水中推進響應(yīng)速度較快，能夠滿足控制要求；在小擾動水流時，PID控制能夠?qū)崿F(xiàn)推進運動控制，但穩(wěn)定性有所下降。為此，對沉浮

3、運動采用了灰模型PID控制的方法，結(jié)果表明其控制性能和穩(wěn)定性均優(yōu)于變結(jié)構(gòu)PID控制，且有較大的抗水流能力。 設(shè)計了控制系統(tǒng)的軟硬件和通訊系統(tǒng)，該超小型水下機器人的控制系統(tǒng)以多機通訊的方式分別控制沉浮系統(tǒng)和推進系統(tǒng)。能夠?qū)崿F(xiàn)上位PC機和整機之間的通訊和控制。 針對本文的超小型水下機器人，首次建立了基于模糊語言的模糊逆模型，構(gòu)造了其動力學(xué)模型的模糊控制規(guī)則庫，設(shè)計了相應(yīng)的模糊控制器；給出了雙螺旋槳水下機器人保持航向的模糊控制

4、策略；仿真試驗結(jié)果表明，該模型比變結(jié)構(gòu)PID模型有更好的抗干擾控制能力。針對模糊逆模型不容易建立的問題，本文還對利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行在線逆模型辨識，進行自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的方法進行了探討，給出了控制框圖。 最后，用論文中研制的活塞式超小型水下機器人實驗平臺，在水箱進行了水下試驗研究，試驗結(jié)果驗證了論文研究工作的正確性和實驗系統(tǒng)的有效性。 本超小型水下機器人在設(shè)計過程中申請了三項國家發(fā)明專利，一項實用新型專利，其中三項已經(jīng)