轻型四自由度AUV系统设计与运动性能分析
发布时间：2022-05-08 13:08
浅海、湖泊与河流等水域的地形勘探常常以人工的形式进行,勘探人员通过潜水来探测水下地形,存在着效率低、危险性高的特点。随着科技的发展,水下机器人被大量采用在探索水下地形。但目前应用较多的仍是带缆式水下机器人,该机器人的活动范围受到线缆的限制。自主式水下机器人（AUV）不携带通信线缆,有较好地灵活性与自主性。本文研究一款轻型灵活的自主式水下机器人,解决上述勘探方式存在的问题。本文分析了轻型水下机器人的应用需求,并提出了该水下机器人的设计指标。根据这些设计指标,设计了机器人的机械系统和硬件系统,并在其硬件平台上编写了控制程序,实现了水下机器人的稳定运行。考虑到水下环境的复杂性和非线性,导致建立水下机器人的控制模型难度较大。本文采用流体力学计算软件Fluent对AUV系统的流体力学系数和流体特性进行了分析,获得了流体动力学系数与速度之间的关系,并改进了机器人的运动模型。最后,获得了双AUV系统的更好的编队间距。在水动力分析的基础之上,建立了AUV本体坐标系与世界坐标系,并进一步求得AUV的运动学模型与动力学模型,并在此模型基础之上,推导出AUV定深运动模型。本文设计了一个基于目标调节函数的非线...
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 课题来源
1.2 课题背景及研究意义
1.3 水下机器人的研究现状
1.3.1 水下机器人的分类
1.3.2 水下机器人驱动技术
1.3.3 水下机器人流体仿真技术
1.3.4 水下机器人运动控制技术
1.3.5 研究总结分析
1.4 本文的主要研究内容
第2章 轻型AUV的需求分析与方案设计
2.1 引言
2.2 轻型AUV的需求分析
2.3 轻型AUV的系统设计方案
2.3.1 机械系统设计
2.3.2 控制系统设计
2.4 本章小结
第3章 轻型AUV流体仿真分析
3.1 引言
3.2 轻型AUV流体仿真分析方法
3.2.1 仿真条件设定
3.2.2 流体仿真理论基础
3.2.3 流体数值计算模型
3.3 基于CFD的 AUV驱动方式分析
3.3.1 不同驱动方式的AUV建模与网格划分
3.3.2 边界条件定义
3.3.3 不同驱动方式的AUV流体仿真结果
3.4 轻型AUV本体形态水动力系数研究
3.4.1 模拟初始条件设定
3.4.2 边界条件设定
3.4.3 模拟结果分析
3.5 双AUV系统的阻力分析
3.5.1 模拟初始条件设定
3.5.2 边界条件设定
3.5.3 模拟结果分析
3.6 本章小结
第4章 轻型AUV运动模型与控制方法
4.1 引言
4.2 轻型AUV运动学与动力学模型的建立
4.2.1 坐标系的建立
4.2.2 坐标系间变量转换
4.2.3 轻型AUV运动学分析
4.2.4 轻型AUV的受力分析
4.2.5 轻型AUV刚体动力学分析
4.2.6 轻型AUV定深运动建模
4.3 AUV定深运动控制器的设计
4.3.1 目标调节PID控制器的描述
4.3.2 目标调节PID控制器的设计
4.3.3 控制器的稳定性分析
4.3.4 轻型AUV定深运动的仿真
4.4 本章小结
第5章 轻型AUV平台搭建与实验分析
5.1 引言
5.2 水下机器人平台搭建
5.3 轻型AUV软件控制模块
5.3.1 指令控制与运动状态界面
5.3.2 图像视频采集界面
5.4 轻型AUV推力实验
5.4.1 推力PWM匹配实验
5.4.2 推力速度匹配实验
5.5 定深运动控制器有效性检验
5.5.1 轻型AUV定深实验
5.5.2 轻型AUV定深抗干扰实验
5.6 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]过渡目标值的非线性PID对自治水下机器人变深运动的稳定控制[J]. 马艳彤,郑荣,于闯. 控制理论与应用. 2018(08)
[2]基于分解压力原理的水下机器人主体密封结构设计[J]. 陈饰勇,刘晓初,王立涛,李彬,何晓宏,何新英. 润滑与密封. 2018(04)
[3]考虑螺旋桨体积力的水下机器人水动力特性仿真[J]. 王太友,胡以怀,张宝吉,陈彦臻. 船舶工程. 2018(01)
[4]基于模糊自适应滑模方法的AUV轨迹跟踪控制[J]. 孙巧梅,陈金国,余万. 舰船科学技术. 2017(23)
[5]仿生机器人的发展与应用研究[J]. 崔新忠,常诚,缪新颖. 机器人技术与应用. 2017(04)
[6]我国实现缆控式与自治式水下机器人深海交会拍摄[J]. 张旭东. 军民两用技术与产品. 2017(15)
[7]基于自适应方法的欠驱动AUV地形跟踪控制[J]. 白继嵩,庞永杰,万磊,张英浩,张强. 电机与控制学报. 2017(06)
[8]逆向迎流时水下机器人运动特性的数值研究[J]. 饶伟,钟乐. 智富时代. 2017(06)
[9]水下机器人在潜艇附近的附加质量及受力情况研究[J]. 张翠英,骆素培,王国菊. 舰船科学技术. 2017(10)
[10]矢量喷水推进式水下机器人的建模仿真与验证[J]. 罗庆生,刘星栋,弓瑞,彭鲲宇,孙尧,张浩. 应用科技. 2017(02)
博士论文
[1]水下球形机器人的运动控制研究[D]. 杜娟.哈尔滨工程大学 2013
硕士论文
[1]多模型控制理论在AUV运动控制中的应用研究[D]. 任洪亮.哈尔滨工程大学 2004
本文编号：3651722
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 课题来源
1.2 课题背景及研究意义
1.3 水下机器人的研究现状
1.3.1 水下机器人的分类
1.3.2 水下机器人驱动技术
1.3.3 水下机器人流体仿真技术
1.3.4 水下机器人运动控制技术
1.3.5 研究总结分析
1.4 本文的主要研究内容
第2章 轻型AUV的需求分析与方案设计
2.1 引言
2.2 轻型AUV的需求分析
2.3 轻型AUV的系统设计方案
2.3.1 机械系统设计
2.3.2 控制系统设计
2.4 本章小结
第3章 轻型AUV流体仿真分析
3.1 引言
3.2 轻型AUV流体仿真分析方法
3.2.1 仿真条件设定
3.2.2 流体仿真理论基础
3.2.3 流体数值计算模型
3.3 基于CFD的 AUV驱动方式分析
3.3.1 不同驱动方式的AUV建模与网格划分
3.3.2 边界条件定义
3.3.3 不同驱动方式的AUV流体仿真结果
3.4 轻型AUV本体形态水动力系数研究
3.4.1 模拟初始条件设定
3.4.2 边界条件设定
3.4.3 模拟结果分析
3.5 双AUV系统的阻力分析
3.5.1 模拟初始条件设定
3.5.2 边界条件设定
3.5.3 模拟结果分析
3.6 本章小结
第4章 轻型AUV运动模型与控制方法
4.1 引言
4.2 轻型AUV运动学与动力学模型的建立
4.2.1 坐标系的建立
4.2.2 坐标系间变量转换
4.2.3 轻型AUV运动学分析
4.2.4 轻型AUV的受力分析
4.2.5 轻型AUV刚体动力学分析
4.2.6 轻型AUV定深运动建模
4.3 AUV定深运动控制器的设计
4.3.1 目标调节PID控制器的描述
4.3.2 目标调节PID控制器的设计
4.3.3 控制器的稳定性分析
4.3.4 轻型AUV定深运动的仿真
4.4 本章小结
第5章 轻型AUV平台搭建与实验分析
5.1 引言
5.2 水下机器人平台搭建
5.3 轻型AUV软件控制模块
5.3.1 指令控制与运动状态界面
5.3.2 图像视频采集界面
5.4 轻型AUV推力实验
5.4.1 推力PWM匹配实验
5.4.2 推力速度匹配实验
5.5 定深运动控制器有效性检验
5.5.1 轻型AUV定深实验
5.5.2 轻型AUV定深抗干扰实验
5.6 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]过渡目标值的非线性PID对自治水下机器人变深运动的稳定控制[J]. 马艳彤,郑荣,于闯. 控制理论与应用. 2018(08)
[2]基于分解压力原理的水下机器人主体密封结构设计[J]. 陈饰勇,刘晓初,王立涛,李彬,何晓宏,何新英. 润滑与密封. 2018(04)
[3]考虑螺旋桨体积力的水下机器人水动力特性仿真[J]. 王太友,胡以怀,张宝吉,陈彦臻. 船舶工程. 2018(01)
[4]基于模糊自适应滑模方法的AUV轨迹跟踪控制[J]. 孙巧梅,陈金国,余万. 舰船科学技术. 2017(23)
[5]仿生机器人的发展与应用研究[J]. 崔新忠,常诚,缪新颖. 机器人技术与应用. 2017(04)
[6]我国实现缆控式与自治式水下机器人深海交会拍摄[J]. 张旭东. 军民两用技术与产品. 2017(15)
[7]基于自适应方法的欠驱动AUV地形跟踪控制[J]. 白继嵩,庞永杰,万磊,张英浩,张强. 电机与控制学报. 2017(06)
[8]逆向迎流时水下机器人运动特性的数值研究[J]. 饶伟,钟乐. 智富时代. 2017(06)
[9]水下机器人在潜艇附近的附加质量及受力情况研究[J]. 张翠英,骆素培,王国菊. 舰船科学技术. 2017(10)
[10]矢量喷水推进式水下机器人的建模仿真与验证[J]. 罗庆生,刘星栋,弓瑞,彭鲲宇,孙尧,张浩. 应用科技. 2017(02)
博士论文
[1]水下球形机器人的运动控制研究[D]. 杜娟.哈尔滨工程大学 2013
硕士论文
[1]多模型控制理论在AUV运动控制中的应用研究[D]. 任洪亮.哈尔滨工程大学 2004
本文编号：3651722
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/zidonghuakongzhilunwen/3651722.html
