水下航行器對(duì)接系統(tǒng)及其運(yùn)動(dòng)控制研究.pdf

1、人類資源壓力的不斷增大促使人類向海洋進(jìn)發(fā)，尋找海洋中保存尚好的資源。海洋開發(fā)的需求推動(dòng)著水下航行器的發(fā)展。通過提升航行器的性能，人類能開發(fā)探測(cè)更深廣的海域。續(xù)航能力直接影響到航行器的工作范圍，對(duì)于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)洋海域勘探起到?jīng)Q定性的作用。傳統(tǒng)的航行器水上回收方式花費(fèi)時(shí)間較長，且在吊至甲板的作業(yè)中容易因撞擊造成機(jī)械損傷。水下對(duì)接技術(shù)使航行器能在海面下工作時(shí)直接進(jìn)行充電作業(yè)和數(shù)據(jù)交換，減少了維護(hù)耗時(shí)，延長航行器有效工作時(shí)間，并增強(qiáng)了航行器維護(hù)操作的

2、隱蔽性。
　　本文設(shè)計(jì)了一種依靠機(jī)械臂對(duì)航行器進(jìn)行導(dǎo)向的水下對(duì)接系統(tǒng)，在Solidworks中建立了樣機(jī)機(jī)械模型，研究了樣機(jī)執(zhí)行水下對(duì)接的運(yùn)動(dòng)方案，分析了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)及控制方法，并進(jìn)行了仿真分析。以上述工作為基礎(chǔ)，對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行了加工、制造以及初步調(diào)試。
　　為了得到有效的控制指令以控制對(duì)接機(jī)械臂的捕捉運(yùn)動(dòng)，文中通過DH法建模，對(duì)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解得到其末端目標(biāo)位置與機(jī)械臂各關(guān)節(jié)角度之間的關(guān)系。運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解的多解問題對(duì)使得關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)

3、處于不可控狀態(tài)，因此采用最小行程原則將逆解優(yōu)化，篩選兩位置間運(yùn)動(dòng)量最小的最優(yōu)解作為控制系統(tǒng)的關(guān)節(jié)角度輸入值，使運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解與目標(biāo)位置坐標(biāo)構(gòu)成函數(shù)關(guān)系，為后續(xù)動(dòng)力學(xué)分析建立了基礎(chǔ)。這樣的方案能使運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)能量消耗最小，并令對(duì)接機(jī)械臂執(zhí)行機(jī)構(gòu)以較短的時(shí)間移動(dòng)到預(yù)定位置。為了更有效地篩選出符合最短行程的逆解，采用密度聚類算法，在逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度樣本中搜索歸類，選取相距關(guān)節(jié)角度差最小的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方案。
　　借助拉格朗日法對(duì)水下對(duì)接系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)

4、分析，依據(jù)對(duì)接系統(tǒng)的工作環(huán)境特性，完成了動(dòng)力學(xué)計(jì)算中慣量項(xiàng)、重力項(xiàng)、以及哥氏力項(xiàng)的推導(dǎo)，對(duì)各關(guān)節(jié)剛體速度和加速度關(guān)系進(jìn)行了推導(dǎo)，建立了水下對(duì)接系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，得出了各關(guān)節(jié)角度與驅(qū)動(dòng)力矩、角速度、角加速度之間的函數(shù)表達(dá)式。
　　通過ADAMS-MATLAB平臺(tái)進(jìn)行控制系統(tǒng)的聯(lián)合仿真，模擬了單關(guān)節(jié)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)和多關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)的PID控制的信號(hào)反饋，基于PID控制在對(duì)接系統(tǒng)模型中所體現(xiàn)的缺陷，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的模糊自整定PID控制算法以改善控制系統(tǒng)