仿生型水下航行器运动控制系统的研究

发布时间：2017-04-03 19:06

  本文关键词：仿生型水下航行器运动控制系统的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来，仿生型水下航行器以其高速高效、机动性好、低噪声等优点成为仿生领域的研究热点。传统“螺旋桨+舵”式的水下航行器体积大，质量重，推进效率低，噪音大，流体扰动作用明显，低速时机动性能较差，使其在要求较高的场合无法使用，仿生型水下航行器应运而生。通过学习研究鱼类先进的推进技术，，运用仿生学原理，设计推进效率高、机动性好、噪声低的仿生型水下航行器，有着重要的现实意义和应用价值。 本文首先对国内外仿生型水下航行器的发展状况进行相关介绍，分析了仿生型水下航行器在科研、军事以及海洋救捞等方面的应用。然后对不同推进方式的鱼类进行研究，通过比较可以得出湽科鱼类最适合作为本文仿生的对象，对湽科鱼类的游动的推进机理进行了全面深入的分析研究，建立了仿湽科水下航行器的运动模型，进行了运动学分析，并计算出仿生型水下航行器尾部摆动产生的推进力，及其在水下运动受到的阻力。对动力学模型进行仿真，通过比较分析各种运动参数对仿生型水下航行器推进性能的影响，对运动控制系统的设计和优化提供了科学化建议。进而按照仿生学原理设计制作了四关节的仿生型水下航行器的尾部机构，并提出了一种基于单片机的尾部摆动的运动控制算法，该算法具有一定的普遍适用性，可用于多关节舵机的控制，并通过实验验证了该方法的可行性。 本文重点介绍了仿生型水下航行器控制系统的软硬件设计，硬件包括中央控制系统以及运动控制系统，软件包括运动控制算法以及单片机嵌入式程序。论文最后完成了仿生型水下航行器尾部运动控制的实验，通过设置不同参数，对尾部摆动进行了大量的实验。通过实验验证了仿生型水下航行器尾部机械设计的可行性，硬件系统的可靠性以及运动控制算法的有效性。本文解决了仿生型水下航行器尾部运动控制的多种问题，完善了尾部的结构设计，本设计方案达到了预期的效果。并为仿生型水下航行器进一步下水实验打下基础。
【关键词】：仿生 湽科模式 水下航行器 运动控制系统
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U674.941;U661
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 1 绪论11-21
• 1.1 引言11
• 1.2 仿生型水下航行器国内外发展概况11-17
• 1.2.1 BCF 模式仿生型水下航行器11-15
• 1.2.2 MPF 模式仿生型水下航行器15-17
• 1.3 仿生型水下航行器应用前景17-18
• 1.4 课题研究的目的及意义18-19
• 1.5 课题研究的主要工作19-21
• 2 仿生型水下航行器的推进机理介绍21-27
• 2.1 鱼类推进方式分类及比较21-22
• 2.2 仿生型水下航行器推进机理研究22-24
• 2.3 仿生型水下航行器结构设计分析24-26
• 2.4 本章小结26-27
• 3 仿生型水下航行器的运动分析27-41
• 3.1 湽科鱼类游动的机理27-28
• 3.2 鱼类的简化模型28-29
• 3.3 鱼体运动模型简化29-30
• 3.4 仿生型水下航行器的运动分析30-34
• 3.4.1 仿生型水下航行器的运动模型31
• 3.4.2 仿生型水下航行器尾部运动数学分析31-32
• 3.4.3 仿生型水下航行器运动模型建立32-34
• 3.5 仿生型水下航行器动力学模型的建立34-38
• 3.5.1 推进力分析34-35
• 3.5.2 推进力的计算35-37
• 3.5.3 阻力分析37
• 3.5.4 阻力的计算37-38
• 3.6 动力学模型仿真38-40
• 3.6.1 仿生尾部摆动频率对推进速度的影响38-39
• 3.6.2 仿生尾部摆幅对推进速度的影响39-40
• 3.7 本章小结40-41
• 4 仿生型水下航行器控制系统设计41-57
• 4.1 中央控制系统41-47
• 4.1.1 中央控制系统的芯片选择42-43
• 4.1.2 中央控制电路43-47
• 4.2 运动控制系统47-55
• 4.2.1 运动控制系统的芯片选择48
• 4.2.2 运动控制电路48-50
• 4.2.3 舵机的选型50-51
• 4.2.4 舵机的控制51-52
• 4.2.5 控制程序的设计52-55
• 4.3 本章小结55-57
• 5 尾部运动控制方法与实验57-71
• 5.1 尾部摆动的仿生设计57-59
• 5.2 尾部摆动的控制方法59-64
• 5.2.1 机械尾部摆动步态的制定59-61
• 5.2.2 转弯运动的尾部摆动的控制方法61-64
• 5.3 数字 PID 控制算法64-66
• 5.3.1 数字 PID 简介65
• 5.3.2 PID 的应用65-66
• 5.4 仿生型水下航行器尾部运动控制实验66-69
• 5.4.1 仿生型水下航行器运动控制系统实验平台67
• 5.4.2 仿生型水下航行器实验内容及结果分析67-69
• 5.5 本章小结69-71
• 6 总结与展望71-73
• 参考文献73-79
• 致谢79-80
• 个人简历80-81
• 发表的学术论文81-82

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前7条

1 聂林;李德胜;董天午;陈伟;郭书祥;;ICPF驱动的微型机器鱼游速的影响因素分析[J];北京工业大学学报;2009年03期

2 张毅;付文勇;刘洪昌;邓皓文;;三关节机器鱼的尾部动力学建模与仿真[J];重庆邮电大学学报(自然科学版);2008年05期

3 周志强;王志良;张雪元;黄海欢;;仿生机器鱼的设计及其运动控制研究[J];微计算机信息;2006年17期

4 王扬威;王振龙;李健;;微小型水下仿生机器人研究现状及发展趋势[J];微特电机;2010年12期

5 胡敏;梁建宏;;如鱼得水——仿生“机器鱼”原理及制作[J];现代舰船;2000年07期

6 桑海泉,王硕,谭民,张志刚;基于红外传感器的仿生机器鱼自主避障控制[J];系统仿真学报;2005年06期

7 陆夕云;杨基明;尹协振;童秉纲;;飞行和游动的生物运动力学和仿生技术研究[J];中国科学技术大学学报;2007年10期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 林龙信;仿生水下机器人的增强学习控制方法研究[D];国防科学技术大学;2010年

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本文编号：284815