水下自主作業(yè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制技術(shù)研究.pdf

1、隨著地球上資源枯竭問(wèn)題的嚴(yán)重，海洋開(kāi)發(fā)越來(lái)越受重視。但是海洋條件惡劣，使用水下機(jī)器人和作業(yè)機(jī)械手已成為海洋開(kāi)發(fā)的重要手段，代替人類(lèi)去觀測(cè)海洋、調(diào)查海底地質(zhì)和采掘資源。在水下智能機(jī)器人上裝配作業(yè)機(jī)械手，構(gòu)成水下自主作業(yè)系統(tǒng)是水下智能機(jī)器人發(fā)展的一個(gè)重要方向。水下自主作業(yè)系統(tǒng)能夠同時(shí)控制水下機(jī)械手終端位置和作用力，從而可以克服主/從配置的機(jī)械手系統(tǒng)的軌跡跟蹤精度低、難于實(shí)現(xiàn)精確力控制、運(yùn)行費(fèi)用高昂及操作易疲勞等缺點(diǎn)，它將在各種淺海和深海使命

2、諸如海洋科學(xué)、油氣探測(cè)、水下考察、鉆井及采礦支持、管道維護(hù)、水下電纜鋪設(shè)及軍事應(yīng)用中發(fā)揮非常重要的作用。水下自主作業(yè)系統(tǒng)具有強(qiáng)耦合、非線性、高維數(shù)、時(shí)變等特點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)水下自主作業(yè)涉及到諸多問(wèn)題，其中作業(yè)時(shí)，水下機(jī)器人和水下機(jī)械手之間的協(xié)調(diào)控制技術(shù)是有待解決的關(guān)鍵性技術(shù)之一，本文針對(duì)這一問(wèn)題，展開(kāi)研究。 本文首先分別討論了水下智能機(jī)器人和水下作業(yè)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型。通過(guò)分析水下機(jī)器人和機(jī)械手在水中的運(yùn)動(dòng)情況，根據(jù)動(dòng)量定理和動(dòng)

3、量矩定理得出其空間運(yùn)動(dòng)方程；分析其在水中作業(yè)時(shí)的受力情況，得出動(dòng)力學(xué)方程。為之后建立系統(tǒng)整體模型奠定了基礎(chǔ)。在考慮了各種水動(dòng)力影響因素的基礎(chǔ)上，使用Quasi-Lagrange方程建立自主水下作業(yè)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，并將此模型分解為一系列相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)；研究PID控制和滑?？刂扑惴?，設(shè)計(jì)PID控制器和滑模控制器用于水下自主作業(yè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制，并使用模糊邏輯動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)控制器的控制參數(shù)。為了驗(yàn)證模型及控制算法的有效性，在某型水下機(jī)器人平臺(tái)上

4、分別裝具三功能（二自由度）和五功能（四自由度）作業(yè)機(jī)械手，考慮靜水和勻速平流兩種環(huán)境，進(jìn)行仿真研究，通過(guò)仿真結(jié)果分析、對(duì)比，得出滑?？刂票憩F(xiàn)出比PID 控制更好的控制精度和穩(wěn)定性；五功能機(jī)械手比三功能機(jī)械手對(duì)機(jī)器人平臺(tái)的耦合影響更大。為了更好地研究水下自主作業(yè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制技術(shù)，對(duì)一個(gè)小型開(kāi)架式遙控水下機(jī)器人進(jìn)行改造，將其改造成為一個(gè)遙控/智能機(jī)器人。并在機(jī)器人平臺(tái)上裝具一個(gè)三功能機(jī)械手，建立水下自主作業(yè)試驗(yàn)系統(tǒng)用于試驗(yàn)研究，并對(duì)該系統(tǒng)