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水下机器人运动控制系统设计与实现
发布时间:2022-09-29 10:46:27 来源:雷火官方网站入口 作者:雷火电竞平台入口

  :本文针对水下机器人(Remote Operated Vehicle)的功能和控制需求,建立了ROV运动学模型,设计了ROV闭环定向控制系统。基于PID控制方法,进行了Simulink数学仿真和模拟闭环仿真,计算机仿真试验表明,系统能够较快地稳定到设定值,能够满足对ROV定向控制的要求,航向闭环模拟试验验证了控制系统的可靠性。

  作者/ 杨建华1田守业21.西安工业大学 电子信息工程学院(陕西 西安 710072) 2.中国人民92474部队(海南 三亚 572018)

  摘要:本文针对水下机器人(Remote Operated Vehicle)的功能和控制需求,建立了ROV运动学模型,设计了ROV闭环定向控制系统。基于PID控制方法,进行了Simulink数学仿真和模拟闭环仿真,计算机仿真试验表明,系统能够较快地稳定到设定值,能够满足对ROV定向控制的要求,航向闭环模拟试验验证了控制系统的可靠性。

  目前,世界上各大国家都在大力发展海洋事业。但海洋中存在各种不确定和未知因素,水下机器人因其体积小、安全性高、作业深度大、航行时间长等特点成了替代人类作业最好的工具。在海洋开发中得到了广泛应用。水下机器人是一个强非线性系统,各个自由度的运动相互耦合,另外,由于ROV在水下的重力、浮力和推进器安装情况未知,给控制器的设计带来困难[1]。建立ROV普遍、规范、实用的数学模型是对其进行控制研究的前提。数学模型过于复杂会导致控制系统的复杂,实现难度较大;而模型过于简单,则不能反映系统真实的运动过程,导致其控制性能的下降[2]。虽然在ROV航行过程中,各自由度的运动会发生相互耦合现象,但针对ROV操纵的性能需要,在实际控制时,可以尽量避免水平和垂直方向的联动操作。虽然ROV各个自由度的推力与推力器发出的力之间的关系一般都不复杂,但仍存在差异[3]。可以进行各个自由度解耦,而在每一个自由度上设计一个控制器,然后再通过推力分配,实现对ROV的航行控制。本文以定向控制为重点,研究了控制器的设计过程,并对控制效果进行仿线 ROV运动学模型建立

  固定坐标系的原点E为海面或者海中的任意一点,η轴指向地理东,轴指向地理北,轴指向地心,如图1所示。运动坐标系的原点一般取为ROV上的一点,x轴与ROV主对称轴一致,y轴与ROV辅助对称轴一致,z轴按照右手定则选取,如图1所示。

  :进退:沿x轴正向为前进,沿x轴反向为后退;侧移:沿y轴正向为右移,沿y轴反向为左移;潜浮:沿z轴正向为下潜,沿z轴反向为上浮;回转:以z轴为中心的转动,艏向右转为正,左转为负;横摇:以x轴为中心的转动,右倾为正,左倾为负;纵倾:以y轴为中心的转动,抬艏为正,反之为负。水下机器人在6个自由度上的运动方程为

  系统设计及仿线 航向闭环控制结构航向控制系统的功能是维持水下机器人的航向角恒定,控制回路采用罗经作为反馈传感器,以罗经测出的实际航向角和设定航向角的偏差作为闭环输入,通过PID调节后输出控制电机的电压,叠加至上位机操作机构发出的进退、横移航行指令上,然后经推力分配环节和限幅后,输出至各直流电机,作用于水下机器人载体,使它保持设定的航向,回路控制结构如图2所示。

  ROV水平面内推进器为环形分布,在进行航向调节时,假设推进器输出的推力大小相同,力矩的作用方向相同,总的推力矩可表示为:

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