作业型水下机器人运动控制研究
发布时间：2021-06-21 19:31
当前陆地资源日益匮乏,海洋资源逐渐成为人类关注重点,作为开发海洋资源的重要装备之一,水下机器人-机械臂系统（UVMS）具有独特的自身结构和执行任务的多样性等特点,逐渐成为海洋开发研究中的热点。UVMS主要由水下机器人系统和水下机械臂系统组成,两系统均具有强耦合、时变性等特点,因此两系统的协调控制尤为关键,也是UVMS完成水下作业控制任务的重点和难点。本文首先构建UVMS对应坐标系,将水下机器人系统和水下机械臂系统在相应坐标系下,依据相关原理分别推导两个分系统的运动学和动力学模型,在此基础上,通过牛顿-欧拉动力学分析法得到UVMS整体动力学模型,为之后分析奠定数学基础。其次依据已构建水下机械臂系统动力学模型,设计基于HJI理论的RBF神经网络自适应控制器,以二自由度水下机械臂为控制对象,分别基于水动力作用、基于模型不确定性和未知干扰作用,对水下机械臂轨迹跟踪控制进行仿真,通过仿真结果分析,验证所设计控制器具有良好的控制性能和较强的鲁棒性,该控制器具有一定可行性。再次依据已构建水下机器人系统动力学模型,通过动力学解耦方法得到水下机器人系统垂直面动力学模型;依据垂直面动力学模型,设计带非线性...
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
“OTTO”型水下机器人-机械臂系统
作业型水下机器人运动控制研究4AutonomousSystems实验室主导“SAUVIM”项目[19]，首次实现无接驳点水下作业任务。该项目使用UVMS搭载IXSEA公司的PHINS单元，并依靠辅助的差分GPS和多普勒导航仪等设备，提升了水下机器人的定位精度。SAUVIM使用的是具有七自由度的电驱水下机械臂，每个自由度都依靠带有谐波传动的电机驱动，可以提升水下机械臂末端执行机构位置准确性。值得提出的是在该项目中，水下机械臂质量与水下机器人本体的质量差距较大，有利于UVMS的解耦合，方便实现控制器的设计。图1-3“ALIVE”型UVMSFig.1-3“ALIVE”underwatervertical-manipulatorsystems日本东京大学研制的自主水下机器人TwinBurger在智能性上取得了较大进步，并在水池实验中成功实现完成躲避障碍物的矩形轨迹规划路线。在此基础之上，Ishitsuka等人又将两自由度水下机械臂装在水下机器人本体上构成了UVMS，该系统采用了多处理器系统作控制机，同时采用分散管理形式，从而实现系统水下作业任务[20]。2017年，日本川崎重工在英国海域完成自主水下机器人“Alister”AUV的海试验证试验[21]。该水下机器人能够根据实时环境进行调整，自主完成预先设置任务，还能完成水下充电和采集数据任务，大大减少了回收和任务部署工作。图1-4TwinBurger和“Alister”水下机器人Fig.1-4TwinBurgerand“Alister”underwatervertical
青岛科技大学学位论文132UVMS系统建模水下机器人—机械臂系统（UVMS）是一个主要由水下机器人和水下机械臂两个系统组成的非线性、多耦合的非线性系统。水下机器人和水下机械臂两个分系统均是较复杂的非线性系统，因此深入研究UVMS数学模型颇为重要。本章首先分别建立水下机器人和水下机械臂两个分系统坐标系，并对水下机器人和水下机械臂的运动学模型和动力学模型进行分析，之后结合两个分系统特点得到UVMS整体数学模型，并分析UVMS运动学模型和动力学模型。2.1水下机器人系统2.1.1水下机器人本体坐标系建立UVMS的运动主要依托水下机器人（ROV）本体的运动，因此研究水下机器人运动规律很有必要。在研究ROV运动规律之前，首先要建立有利于分析水下机器人运动状态的坐标系，如图2-1。图2-1ROV参考坐标系Fig.2-1ROVreferencecoordinatesystem其中：（1）A-xyz为惯性坐标系，是一个固定坐标系，与平常使用的坐标系相同，该坐标用来描述水下机器人位置和姿态。该系原点A可取ROV与地球表面切平面的任意一点，Az轴指向地心，Ax轴指向正北方向，Ay轴指向正东方向。（2）mmmOxyz为随体坐标系，是一个动坐标系，固定于水下机器人上，随水下机器人运动而运动，用来描述水下机器人的速度和角速度。该坐标系原点O
【参考文献】：
期刊论文
[1]水下机械手分数阶积分滑模轨迹跟踪控制方法研究[J]. 黄道敏,韩丽君,唐国元,周曾成,徐国华. 中国机械工程. 2019(13)
[2]基于指数趋近滑模控制的水下机器人-机械手系统轨迹跟踪[J]. 汤奇荣,邓振强,李英浩,陈迪. 舰船科学技术. 2019(01)
[3]水下机器人-机械手系统非奇异终端滑模控制[J]. 王尧尧,顾临怡,陈柏,吴洪涛. 浙江大学学报(工学版). 2018(05)
[4]水下机器人-机械手姿态调节系统研究[J]. 杨超,张铭钧,秦洪德,郭冠群,王玉甲. 哈尔滨工程大学学报. 2018(02)
[5]基于滑模理论的水下机器人定深控制算法研究[J]. 杨建华,田守业. 计算机测量与控制. 2017(08)
[6]SY-Ⅱ水下机器人-机械手系统的协调运动控制[J]. 李冀永,万磊,黄海,秦洪德. 华中科技大学学报(自然科学版). 2017(05)
[7]中科院沈阳自动化所研发的“潜龙二号”通过验收[J]. 彭科峰. 军民两用技术与产品. 2016(15)
[8]基于NDO的ROV变深自适应终端滑模控制器设计[J]. 魏延辉,周卫祥,陈巍,胡佳兴,李光春. 控制与决策. 2016(02)
[9]水下机器人-机械手系统控制方法综述[J]. 陈巍,魏延辉,曾建辉,贾献强,王泽鹏. 重庆理工大学学报(自然科学). 2015(08)
[10]海洋探测技术与装备发展探讨[J]. 朱心科,金翔龙,陶春辉,初凤友,赵建如,李一平. 机器人. 2013(03)
博士论文
[1]深水机械手动力学特性及自主作业研究[D]. 肖治琥.华中科技大学 2011
[2]水下自主作业系统协调控制技术研究[D]. 郭莹.华中科技大学 2008
硕士论文
[1]作业型水下机器人系统开发与控制研究[D]. 高智俊.浙江大学 2019
[2]深海重型ROV双机械手设计与研究[D]. 杨明岩.东北石油大学 2018
[3]水下机器人—机械手结构设计及自适应神经网络控制研究[D]. 李金林.哈尔滨工程大学 2018
[4]水下机器人（ROV）运动姿态控制研究[D]. 邹博.江苏科技大学 2018
[5]作业型ROV动力定位控制技术研究[D]. 刘合伟.哈尔滨工程大学 2017
[6]UVMS协调控制方法的研究[D]. 陈巍.哈尔滨工程大学 2016
[7]UVMS运动控制方法研究[D]. 刘鑫.哈尔滨工程大学 2015
[8]基于终端滑模的水下机械手运动控制技术研究[D]. 秦耀昌.哈尔滨工程大学 2012
[9]水下机器人—机械手系统运动规划与控制技术研究[D]. 彭生全.哈尔滨工程大学 2012
[10]水液压驱动的水下机械臂PWM鲁棒控制研究[D]. 王亚猛.华中科技大学 2011
本文编号：3241273
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
“OTTO”型水下机器人-机械臂系统
作业型水下机器人运动控制研究4AutonomousSystems实验室主导“SAUVIM”项目[19]，首次实现无接驳点水下作业任务。该项目使用UVMS搭载IXSEA公司的PHINS单元，并依靠辅助的差分GPS和多普勒导航仪等设备，提升了水下机器人的定位精度。SAUVIM使用的是具有七自由度的电驱水下机械臂，每个自由度都依靠带有谐波传动的电机驱动，可以提升水下机械臂末端执行机构位置准确性。值得提出的是在该项目中，水下机械臂质量与水下机器人本体的质量差距较大，有利于UVMS的解耦合，方便实现控制器的设计。图1-3“ALIVE”型UVMSFig.1-3“ALIVE”underwatervertical-manipulatorsystems日本东京大学研制的自主水下机器人TwinBurger在智能性上取得了较大进步，并在水池实验中成功实现完成躲避障碍物的矩形轨迹规划路线。在此基础之上，Ishitsuka等人又将两自由度水下机械臂装在水下机器人本体上构成了UVMS，该系统采用了多处理器系统作控制机，同时采用分散管理形式，从而实现系统水下作业任务[20]。2017年，日本川崎重工在英国海域完成自主水下机器人“Alister”AUV的海试验证试验[21]。该水下机器人能够根据实时环境进行调整，自主完成预先设置任务，还能完成水下充电和采集数据任务，大大减少了回收和任务部署工作。图1-4TwinBurger和“Alister”水下机器人Fig.1-4TwinBurgerand“Alister”underwatervertical
青岛科技大学学位论文132UVMS系统建模水下机器人—机械臂系统（UVMS）是一个主要由水下机器人和水下机械臂两个系统组成的非线性、多耦合的非线性系统。水下机器人和水下机械臂两个分系统均是较复杂的非线性系统，因此深入研究UVMS数学模型颇为重要。本章首先分别建立水下机器人和水下机械臂两个分系统坐标系，并对水下机器人和水下机械臂的运动学模型和动力学模型进行分析，之后结合两个分系统特点得到UVMS整体数学模型，并分析UVMS运动学模型和动力学模型。2.1水下机器人系统2.1.1水下机器人本体坐标系建立UVMS的运动主要依托水下机器人（ROV）本体的运动，因此研究水下机器人运动规律很有必要。在研究ROV运动规律之前，首先要建立有利于分析水下机器人运动状态的坐标系，如图2-1。图2-1ROV参考坐标系Fig.2-1ROVreferencecoordinatesystem其中：（1）A-xyz为惯性坐标系，是一个固定坐标系，与平常使用的坐标系相同，该坐标用来描述水下机器人位置和姿态。该系原点A可取ROV与地球表面切平面的任意一点，Az轴指向地心，Ax轴指向正北方向，Ay轴指向正东方向。（2）mmmOxyz为随体坐标系，是一个动坐标系，固定于水下机器人上，随水下机器人运动而运动，用来描述水下机器人的速度和角速度。该坐标系原点O
【参考文献】：
期刊论文
[1]水下机械手分数阶积分滑模轨迹跟踪控制方法研究[J]. 黄道敏,韩丽君,唐国元,周曾成,徐国华. 中国机械工程. 2019(13)
[2]基于指数趋近滑模控制的水下机器人-机械手系统轨迹跟踪[J]. 汤奇荣,邓振强,李英浩,陈迪. 舰船科学技术. 2019(01)
[3]水下机器人-机械手系统非奇异终端滑模控制[J]. 王尧尧,顾临怡,陈柏,吴洪涛. 浙江大学学报(工学版). 2018(05)
[4]水下机器人-机械手姿态调节系统研究[J]. 杨超,张铭钧,秦洪德,郭冠群,王玉甲. 哈尔滨工程大学学报. 2018(02)
[5]基于滑模理论的水下机器人定深控制算法研究[J]. 杨建华,田守业. 计算机测量与控制. 2017(08)
[6]SY-Ⅱ水下机器人-机械手系统的协调运动控制[J]. 李冀永,万磊,黄海,秦洪德. 华中科技大学学报(自然科学版). 2017(05)
[7]中科院沈阳自动化所研发的“潜龙二号”通过验收[J]. 彭科峰. 军民两用技术与产品. 2016(15)
[8]基于NDO的ROV变深自适应终端滑模控制器设计[J]. 魏延辉,周卫祥,陈巍,胡佳兴,李光春. 控制与决策. 2016(02)
[9]水下机器人-机械手系统控制方法综述[J]. 陈巍,魏延辉,曾建辉,贾献强,王泽鹏. 重庆理工大学学报(自然科学). 2015(08)
[10]海洋探测技术与装备发展探讨[J]. 朱心科,金翔龙,陶春辉,初凤友,赵建如,李一平. 机器人. 2013(03)
博士论文
[1]深水机械手动力学特性及自主作业研究[D]. 肖治琥.华中科技大学 2011
[2]水下自主作业系统协调控制技术研究[D]. 郭莹.华中科技大学 2008
硕士论文
[1]作业型水下机器人系统开发与控制研究[D]. 高智俊.浙江大学 2019
[2]深海重型ROV双机械手设计与研究[D]. 杨明岩.东北石油大学 2018
[3]水下机器人—机械手结构设计及自适应神经网络控制研究[D]. 李金林.哈尔滨工程大学 2018
[4]水下机器人（ROV）运动姿态控制研究[D]. 邹博.江苏科技大学 2018
[5]作业型ROV动力定位控制技术研究[D]. 刘合伟.哈尔滨工程大学 2017
[6]UVMS协调控制方法的研究[D]. 陈巍.哈尔滨工程大学 2016
[7]UVMS运动控制方法研究[D]. 刘鑫.哈尔滨工程大学 2015
[8]基于终端滑模的水下机械手运动控制技术研究[D]. 秦耀昌.哈尔滨工程大学 2012
[9]水下机器人—机械手系统运动规划与控制技术研究[D]. 彭生全.哈尔滨工程大学 2012
[10]水液压驱动的水下机械臂PWM鲁棒控制研究[D]. 王亚猛.华中科技大学 2011
本文编号：3241273
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