作業(yè)型水下機器人運動控制研究
發(fā)布時間：2021-06-21 19:31
當前陸地資源日益匱乏,海洋資源逐漸成為人類關注重點,作為開發(fā)海洋資源的重要裝備之一,水下機器人-機械臂系統(tǒng)（UVMS）具有獨特的自身結構和執(zhí)行任務的多樣性等特點,逐漸成為海洋開發(fā)研究中的熱點。UVMS主要由水下機器人系統(tǒng)和水下機械臂系統(tǒng)組成,兩系統(tǒng)均具有強耦合、時變性等特點,因此兩系統(tǒng)的協(xié)調控制尤為關鍵,也是UVMS完成水下作業(yè)控制任務的重點和難點。本文首先構建UVMS對應坐標系,將水下機器人系統(tǒng)和水下機械臂系統(tǒng)在相應坐標系下,依據相關原理分別推導兩個分系統(tǒng)的運動學和動力學模型,在此基礎上,通過牛頓-歐拉動力學分析法得到UVMS整體動力學模型,為之后分析奠定數學基礎。其次依據已構建水下機械臂系統(tǒng)動力學模型,設計基于HJI理論的RBF神經網絡自適應控制器,以二自由度水下機械臂為控制對象,分別基于水動力作用、基于模型不確定性和未知干擾作用,對水下機械臂軌跡跟蹤控制進行仿真,通過仿真結果分析,驗證所設計控制器具有良好的控制性能和較強的魯棒性,該控制器具有一定可行性。再次依據已構建水下機器人系統(tǒng)動力學模型,通過動力學解耦方法得到水下機器人系統(tǒng)垂直面動力學模型;依據垂直面動力學模型,設計帶非線性...
【文章來源】：青島科技大學山東省
【文章頁數】：87 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
“OTTO”型水下機器人-機械臂系統(tǒng)
作業(yè)型水下機器人運動控制研究4AutonomousSystems實驗室主導“SAUVIM”項目[19]，首次實現無接駁點水下作業(yè)任務。該項目使用UVMS搭載IXSEA公司的PHINS單元，并依靠輔助的差分GPS和多普勒導航儀等設備，提升了水下機器人的定位精度。SAUVIM使用的是具有七自由度的電驅水下機械臂，每個自由度都依靠帶有諧波傳動的電機驅動，可以提升水下機械臂末端執(zhí)行機構位置準確性。值得提出的是在該項目中，水下機械臂質量與水下機器人本體的質量差距較大，有利于UVMS的解耦合，方便實現控制器的設計。圖1-3“ALIVE”型UVMSFig.1-3“ALIVE”underwatervertical-manipulatorsystems日本東京大學研制的自主水下機器人TwinBurger在智能性上取得了較大進步，并在水池實驗中成功實現完成躲避障礙物的矩形軌跡規(guī)劃路線。在此基礎之上，Ishitsuka等人又將兩自由度水下機械臂裝在水下機器人本體上構成了UVMS，該系統(tǒng)采用了多處理器系統(tǒng)作控制機，同時采用分散管理形式，從而實現系統(tǒng)水下作業(yè)任務[20]。2017年，日本川崎重工在英國海域完成自主水下機器人“Alister”AUV的海試驗證試驗[21]。該水下機器人能夠根據實時環(huán)境進行調整，自主完成預先設置任務，還能完成水下充電和采集數據任務，大大減少了回收和任務部署工作。圖1-4TwinBurger和“Alister”水下機器人Fig.1-4TwinBurgerand“Alister”underwatervertical
青島科技大學學位論文132UVMS系統(tǒng)建模水下機器人—機械臂系統(tǒng)（UVMS）是一個主要由水下機器人和水下機械臂兩個系統(tǒng)組成的非線性、多耦合的非線性系統(tǒng)。水下機器人和水下機械臂兩個分系統(tǒng)均是較復雜的非線性系統(tǒng)，因此深入研究UVMS數學模型頗為重要。本章首先分別建立水下機器人和水下機械臂兩個分系統(tǒng)坐標系，并對水下機器人和水下機械臂的運動學模型和動力學模型進行分析，之后結合兩個分系統(tǒng)特點得到UVMS整體數學模型，并分析UVMS運動學模型和動力學模型。2.1水下機器人系統(tǒng)2.1.1水下機器人本體坐標系建立UVMS的運動主要依托水下機器人（ROV）本體的運動，因此研究水下機器人運動規(guī)律很有必要。在研究ROV運動規(guī)律之前，首先要建立有利于分析水下機器人運動狀態(tài)的坐標系，如圖2-1。圖2-1ROV參考坐標系Fig.2-1ROVreferencecoordinatesystem其中：（1）A-xyz為慣性坐標系，是一個固定坐標系，與平常使用的坐標系相同，該坐標用來描述水下機器人位置和姿態(tài)。該系原點A可取ROV與地球表面切平面的任意一點，Az軸指向地心，Ax軸指向正北方向，Ay軸指向正東方向。（2）mmmOxyz為隨體坐標系，是一個動坐標系，固定于水下機器人上，隨水下機器人運動而運動，用來描述水下機器人的速度和角速度。該坐標系原點O
【參考文獻】：
期刊論文
[1]水下機械手分數階積分滑模軌跡跟蹤控制方法研究[J]. 黃道敏,韓麗君,唐國元,周曾成,徐國華. 中國機械工程. 2019(13)
[2]基于指數趨近滑模控制的水下機器人-機械手系統(tǒng)軌跡跟蹤[J]. 湯奇榮,鄧振強,李英浩,陳迪. 艦船科學技術. 2019(01)
[3]水下機器人-機械手系統(tǒng)非奇異終端滑�？刂芠J]. 王堯堯,顧臨怡,陳柏,吳洪濤. 浙江大學學報(工學版). 2018(05)
[4]水下機器人-機械手姿態(tài)調節(jié)系統(tǒng)研究[J]. 楊超,張銘鈞,秦洪德,郭冠群,王玉甲. 哈爾濱工程大學學報. 2018(02)
[5]基于滑模理論的水下機器人定深控制算法研究[J]. 楊建華,田守業(yè). 計算機測量與控制. 2017(08)
[6]SY-Ⅱ水下機器人-機械手系統(tǒng)的協(xié)調運動控制[J]. 李冀永,萬磊,黃海,秦洪德. 華中科技大學學報(自然科學版). 2017(05)
[7]中科院沈陽自動化所研發(fā)的“潛龍二號”通過驗收[J]. 彭科峰. 軍民兩用技術與產品. 2016(15)
[8]基于NDO的ROV變深自適應終端滑�？刂破髟O計[J]. 魏延輝,周衛(wèi)祥,陳巍,胡佳興,李光春. 控制與決策. 2016(02)
[9]水下機器人-機械手系統(tǒng)控制方法綜述[J]. 陳巍,魏延輝,曾建輝,賈獻強,王澤鵬. 重慶理工大學學報(自然科學). 2015(08)
[10]海洋探測技術與裝備發(fā)展探討[J]. 朱心科,金翔龍,陶春輝,初鳳友,趙建如,李一平. 機器人. 2013(03)
博士論文
[1]深水機械手動力學特性及自主作業(yè)研究[D]. 肖治琥.華中科技大學 2011
[2]水下自主作業(yè)系統(tǒng)協(xié)調控制技術研究[D]. 郭瑩.華中科技大學 2008
碩士論文
[1]作業(yè)型水下機器人系統(tǒng)開發(fā)與控制研究[D]. 高智俊.浙江大學 2019
[2]深海重型ROV雙機械手設計與研究[D]. 楊明巖.東北石油大學 2018
[3]水下機器人—機械手結構設計及自適應神經網絡控制研究[D]. 李金林.哈爾濱工程大學 2018
[4]水下機器人（ROV）運動姿態(tài)控制研究[D]. 鄒博.江蘇科技大學 2018
[5]作業(yè)型ROV動力定位控制技術研究[D]. 劉合偉.哈爾濱工程大學 2017
[6]UVMS協(xié)調控制方法的研究[D]. 陳巍.哈爾濱工程大學 2016
[7]UVMS運動控制方法研究[D]. 劉鑫.哈爾濱工程大學 2015
[8]基于終端滑模的水下機械手運動控制技術研究[D]. 秦耀昌.哈爾濱工程大學 2012
[9]水下機器人—機械手系統(tǒng)運動規(guī)劃與控制技術研究[D]. 彭生全.哈爾濱工程大學 2012
[10]水液壓驅動的水下機械臂PWM魯棒控制研究[D]. 王亞猛.華中科技大學 2011
本文編號：3241273
【文章來源】：青島科技大學山東省
【文章頁數】：87 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
“OTTO”型水下機器人-機械臂系統(tǒng)
作業(yè)型水下機器人運動控制研究4AutonomousSystems實驗室主導“SAUVIM”項目[19]，首次實現無接駁點水下作業(yè)任務。該項目使用UVMS搭載IXSEA公司的PHINS單元，并依靠輔助的差分GPS和多普勒導航儀等設備，提升了水下機器人的定位精度。SAUVIM使用的是具有七自由度的電驅水下機械臂，每個自由度都依靠帶有諧波傳動的電機驅動，可以提升水下機械臂末端執(zhí)行機構位置準確性。值得提出的是在該項目中，水下機械臂質量與水下機器人本體的質量差距較大，有利于UVMS的解耦合，方便實現控制器的設計。圖1-3“ALIVE”型UVMSFig.1-3“ALIVE”underwatervertical-manipulatorsystems日本東京大學研制的自主水下機器人TwinBurger在智能性上取得了較大進步，并在水池實驗中成功實現完成躲避障礙物的矩形軌跡規(guī)劃路線。在此基礎之上，Ishitsuka等人又將兩自由度水下機械臂裝在水下機器人本體上構成了UVMS，該系統(tǒng)采用了多處理器系統(tǒng)作控制機，同時采用分散管理形式，從而實現系統(tǒng)水下作業(yè)任務[20]。2017年，日本川崎重工在英國海域完成自主水下機器人“Alister”AUV的海試驗證試驗[21]。該水下機器人能夠根據實時環(huán)境進行調整，自主完成預先設置任務，還能完成水下充電和采集數據任務，大大減少了回收和任務部署工作。圖1-4TwinBurger和“Alister”水下機器人Fig.1-4TwinBurgerand“Alister”underwatervertical
青島科技大學學位論文132UVMS系統(tǒng)建模水下機器人—機械臂系統(tǒng)（UVMS）是一個主要由水下機器人和水下機械臂兩個系統(tǒng)組成的非線性、多耦合的非線性系統(tǒng)。水下機器人和水下機械臂兩個分系統(tǒng)均是較復雜的非線性系統(tǒng)，因此深入研究UVMS數學模型頗為重要。本章首先分別建立水下機器人和水下機械臂兩個分系統(tǒng)坐標系，并對水下機器人和水下機械臂的運動學模型和動力學模型進行分析，之后結合兩個分系統(tǒng)特點得到UVMS整體數學模型，并分析UVMS運動學模型和動力學模型。2.1水下機器人系統(tǒng)2.1.1水下機器人本體坐標系建立UVMS的運動主要依托水下機器人（ROV）本體的運動，因此研究水下機器人運動規(guī)律很有必要。在研究ROV運動規(guī)律之前，首先要建立有利于分析水下機器人運動狀態(tài)的坐標系，如圖2-1。圖2-1ROV參考坐標系Fig.2-1ROVreferencecoordinatesystem其中：（1）A-xyz為慣性坐標系，是一個固定坐標系，與平常使用的坐標系相同，該坐標用來描述水下機器人位置和姿態(tài)。該系原點A可取ROV與地球表面切平面的任意一點，Az軸指向地心，Ax軸指向正北方向，Ay軸指向正東方向。（2）mmmOxyz為隨體坐標系，是一個動坐標系，固定于水下機器人上，隨水下機器人運動而運動，用來描述水下機器人的速度和角速度。該坐標系原點O
【參考文獻】：
期刊論文
[1]水下機械手分數階積分滑模軌跡跟蹤控制方法研究[J]. 黃道敏,韓麗君,唐國元,周曾成,徐國華. 中國機械工程. 2019(13)
[2]基于指數趨近滑模控制的水下機器人-機械手系統(tǒng)軌跡跟蹤[J]. 湯奇榮,鄧振強,李英浩,陳迪. 艦船科學技術. 2019(01)
[3]水下機器人-機械手系統(tǒng)非奇異終端滑�？刂芠J]. 王堯堯,顧臨怡,陳柏,吳洪濤. 浙江大學學報(工學版). 2018(05)
[4]水下機器人-機械手姿態(tài)調節(jié)系統(tǒng)研究[J]. 楊超,張銘鈞,秦洪德,郭冠群,王玉甲. 哈爾濱工程大學學報. 2018(02)
[5]基于滑模理論的水下機器人定深控制算法研究[J]. 楊建華,田守業(yè). 計算機測量與控制. 2017(08)
[6]SY-Ⅱ水下機器人-機械手系統(tǒng)的協(xié)調運動控制[J]. 李冀永,萬磊,黃海,秦洪德. 華中科技大學學報(自然科學版). 2017(05)
[7]中科院沈陽自動化所研發(fā)的“潛龍二號”通過驗收[J]. 彭科峰. 軍民兩用技術與產品. 2016(15)
[8]基于NDO的ROV變深自適應終端滑�？刂破髟O計[J]. 魏延輝,周衛(wèi)祥,陳巍,胡佳興,李光春. 控制與決策. 2016(02)
[9]水下機器人-機械手系統(tǒng)控制方法綜述[J]. 陳巍,魏延輝,曾建輝,賈獻強,王澤鵬. 重慶理工大學學報(自然科學). 2015(08)
[10]海洋探測技術與裝備發(fā)展探討[J]. 朱心科,金翔龍,陶春輝,初鳳友,趙建如,李一平. 機器人. 2013(03)
博士論文
[1]深水機械手動力學特性及自主作業(yè)研究[D]. 肖治琥.華中科技大學 2011
[2]水下自主作業(yè)系統(tǒng)協(xié)調控制技術研究[D]. 郭瑩.華中科技大學 2008
碩士論文
[1]作業(yè)型水下機器人系統(tǒng)開發(fā)與控制研究[D]. 高智俊.浙江大學 2019
[2]深海重型ROV雙機械手設計與研究[D]. 楊明巖.東北石油大學 2018
[3]水下機器人—機械手結構設計及自適應神經網絡控制研究[D]. 李金林.哈爾濱工程大學 2018
[4]水下機器人（ROV）運動姿態(tài)控制研究[D]. 鄒博.江蘇科技大學 2018
[5]作業(yè)型ROV動力定位控制技術研究[D]. 劉合偉.哈爾濱工程大學 2017
[6]UVMS協(xié)調控制方法的研究[D]. 陳巍.哈爾濱工程大學 2016
[7]UVMS運動控制方法研究[D]. 劉鑫.哈爾濱工程大學 2015
[8]基于終端滑模的水下機械手運動控制技術研究[D]. 秦耀昌.哈爾濱工程大學 2012
[9]水下機器人—機械手系統(tǒng)運動規(guī)劃與控制技術研究[D]. 彭生全.哈爾濱工程大學 2012
[10]水液壓驅動的水下機械臂PWM魯棒控制研究[D]. 王亞猛.華中科技大學 2011
本文編號：3241273
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