轻型四自由度AUV系统设计与运动性能分析

• 作 者: 林银福
• 出 处: 哈尔滨工业大学
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 自主式水下机器人 流场仿真 定深控制 目标调节PID

浅海、湖泊与河流等水域的地形勘探常常以人工的形式进行,勘探人员通过潜水来探测水下地形,存在着效率低、危险性高的特点。随着科技的发展,水下机器人被大量采用在探索水下地形。但目前应用较多的仍是带缆式水下机器人,该机器人的活动范围受到线缆的限制。自主式水下机器人(AUV)不携带通信线缆,有较好地灵活性与自主性。本文研究一款轻型灵活的自主式水下机器人,解决上述勘探方式存在的问题。本文分析了轻型水下机器人的应用需求,并提出了该水下机器人的设计指标。根据这些设计指标,设计了机器人的机械系统和硬件系统,并在其硬件平台上编写了控制程序,实现了水下机器人的稳定运行。考虑到水下环境的复杂性和非线性,导致建立水下机器人的控制模型难度较大。本文采用流体力学计算软件Fluent对AUV系统的流体力学系数和流体特性进行了分析,获得了流体动力学系数与速度之间的关系,并改进了机器人的运动模型。最后,获得了双AUV系统的更好的编队间距。在水动力分析的基础之上,建立了AUV本体坐标系与世界坐标系,并进一步求得AUV的运动学模型与动力学模型,并在此模型基础之上,推导出AUV定深运动模型。本文设计了一个基于目标调节函数的非线性PID控制器,用于控制机器人的定深运动。本文利用Simulink软件对该目标调节PID控制器进行仿真,验证其有效性。本文搭建了四台轻型AUV与一实验水池,进行各项实验。通过间接测量AUV推力与行进速度之间的关系,从而验证流体力学仿真的正确性。为了进一步验证控制器的稳定性,本文进行了AUV的定深实验与定深抗干扰试验。实验结果验证了控制器的有效性与鲁棒性。最后对AUV基础功能进行实验验证,实验结果表明,AUV达到了预期的设计要求。