中國(guó)海產(chǎn)品養(yǎng)殖數(shù)量多且種類豐富,將水下機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于海產(chǎn)品的捕撈是經(jīng)濟(jì)可行的方式。目前海參均采用人工采收,效率較低。針對(duì)該現(xiàn)狀,本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于海參捕撈的機(jī)器人。用自治水下機(jī)器人為載體,在此基礎(chǔ)上,進(jìn)行滿足海參捕撈要求的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)海參采收的自動(dòng)化作業(yè)。該機(jī)器從結(jié)構(gòu)上可以分為采集機(jī)構(gòu)、分揀機(jī)構(gòu)與收集機(jī)構(gòu),并利用ANSYS Workbench仿真軟件對(duì)該機(jī)器的耐壓艙進(jìn)行了水下靜力學(xué)的仿真與厚度的優(yōu)化,在滿足工作要求的前提下,減小了殼體厚度,降低了成本,同時(shí)也減少了機(jī)器整體負(fù)重。對(duì)水下機(jī)器人建立了兩種坐標(biāo)系,固定坐標(biāo)系E-(?)和運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系O-xyz,利用葛特勒方程建立機(jī)器六自由度的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程,分析其運(yùn)動(dòng)情況。根據(jù)實(shí)際作業(yè)環(huán)境對(duì)捕撈機(jī)器人的受力情況進(jìn)行分析,估算出了慣性類和粘性類水動(dòng)力系數(shù)。基于運(yùn)動(dòng)方程和各項(xiàng)系數(shù),建立了垂直面和水平面的運(yùn)動(dòng)模型,利用PID控制器,給定合適的KP、Kl和KD數(shù)值,對(duì)艏向角、縱傾角和深度的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。最后簡(jiǎn)要分析了水下環(huán)境對(duì)機(jī)器定位的影響,對(duì)圖像進(jìn)行濾波處理、圖像模糊增強(qiáng)和邊緣輪廓檢測(cè),使機(jī)器精確定位,以不同的運(yùn)動(dòng)姿態(tài),實(shí)現(xiàn)對(duì)不同區(qū)域的海參捕撈。海參分布在養(yǎng)殖基地的各個(gè)區(qū)域,需要采用遍歷式的路徑規(guī)劃完成捕撈。首先建立柵格地圖模擬水下真實(shí)環(huán)境,利用A*算法完成避障功能。比較了內(nèi)螺旋算法與田埂式算法在路徑規(guī)劃時(shí)的能量消耗,以及遇到障礙物時(shí)的航行軌跡,選擇了內(nèi)螺旋算法進(jìn)行全局路徑規(guī)劃。最后將內(nèi)螺旋算法與A*算法結(jié)合,使機(jī)器在遇到障礙物時(shí),尋找到可以工作的最近區(qū)域,完成障礙物存在時(shí)水下全局路徑規(guī)劃。由于水下運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性、非線性與流固耦合效應(yīng),基于ANSYS FLUENT對(duì)水下機(jī)器人進(jìn)行了流體動(dòng)力學(xué)的分析。建立流體包圍域模擬水下環(huán)境,選擇了湍流模型,經(jīng)過(guò)CFD(Computational Fluid Dynamics)仿真,模擬了該水下機(jī)器人在水下捕撈作業(yè)時(shí)的運(yùn)動(dòng),得到了不同運(yùn)動(dòng)速度下的阻力系數(shù),速度分布圖和壓力云圖,便于分析水下機(jī)器人的水下運(yùn)動(dòng)情況。本文完成了該自主型水下海參捕撈機(jī)器人的設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)仿真,實(shí)現(xiàn)了海參捕撈自動(dòng)化,提高了捕撈效率,具有較大的實(shí)際應(yīng)用意義。
【學(xué)位單位】：哈爾濱商業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：U674.941;TP242
【文章目錄】：
摘要
Abstract
1 緒論
    1.1 課題研究的背景及意義
    1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀
        1.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
    1.3 捕撈水下機(jī)器的關(guān)鍵技術(shù)
    1.4 捕撈水下機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)
    1.5 論文的主要工作內(nèi)容
2 海參捕撈水下機(jī)器人總體設(shè)計(jì)
    2.1 捕撈水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
        2.1.1 捕撈水下機(jī)器人外形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
        2.1.2 捕撈裝置設(shè)計(jì)
        2.1.3 分揀裝置設(shè)計(jì)
    2.2 基于ANSYS的耐壓殼體強(qiáng)度分析
    2.3 基于目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化的耐壓殼體優(yōu)化設(shè)計(jì)
    2.4 本章小結(jié)
3 捕撈機(jī)器人穩(wěn)定性分析與水下環(huán)境對(duì)海參定位的影響
    3.1 捕撈水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方程
        3.1.1 坐標(biāo)系的建立
        3.1.2 運(yùn)動(dòng)方程的建立
    3.2 捕撈水下機(jī)器人受力分析及水動(dòng)力系數(shù)的計(jì)算
        3.2.1 捕撈水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)的受力分析
        3.2.2 粘性類水動(dòng)力與慣性類水動(dòng)力系數(shù)的計(jì)算
    3.3 捕撈機(jī)器人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的穩(wěn)定性分析
        3.3.1 平面運(yùn)動(dòng)控制方程
        3.3.2 PID控制模型的建立
        3.3.3 捕撈機(jī)器人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的PID仿真
    3.4 水下環(huán)境對(duì)海參定位的影響
        3.4.1 水下海參圖像濾波處理
        3.4.2 水下海參圖像模糊增強(qiáng)
        3.4.3 數(shù)字圖像中海參的輪廓提取
    3.5 本章小結(jié)
4 捕撈水下機(jī)器人避障設(shè)計(jì)與全局路徑規(guī)劃
    4.1 創(chuàng)建海參捕撈環(huán)境的柵格地圖
*算法的實(shí)時(shí)避障功能的實(shí)現(xiàn)'>    4.2 基于A^*算法的實(shí)時(shí)避障功能的實(shí)現(xiàn)
        4.2.1 水下機(jī)器人避障算法研究概述
*搜索算法的捕撈水下機(jī)器人避障設(shè)計(jì)'>        4.2.2 基于A^*搜索算法的捕撈水下機(jī)器人避障設(shè)計(jì)
    4.3 海參捕撈水下機(jī)器人遍歷式路徑規(guī)劃
        4.3.1 田埂式全局路徑規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)
        4.3.2 內(nèi)螺旋式全局路徑規(guī)劃
    4.4 捕撈水下機(jī)器人遍歷式算法的優(yōu)化
    4.5 本章小結(jié)
5 捕撈水下機(jī)器人流體動(dòng)力學(xué)仿真
    5.1 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)
    5.2 基于FLUENT軟件對(duì)捕撈水下機(jī)器人的CFD仿真
        5.2.1 流體域的建立及網(wǎng)格的劃分
        5.2.2 邊界條件參數(shù)的設(shè)置
        5.2.3 CFD前處理設(shè)置
    5.3 捕撈水下機(jī)器人流體動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果
    5.4 本章小結(jié)
結(jié)論
參考文獻(xiàn)
攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文
致謝

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2864901