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水下机器人基础运动控制体系结构及运动控制技术研究
【摘要】：随着陆地上不可再生资源的加速消耗，合理开发和利用海洋已经成为当今世界的共识，水下机器人作为合理开发海洋的重要工具，已经得到全世界的广泛关注。水下机器人的基础运动控制是水下机器人的关键技术之一，决定着水下机器人的控制性能，关系着水下任务的完成，因此，研究水下机器人的基础运动控制技术对于发展水下机器人技术具有重要的理论与现实意义。
水下机器人基础运动控制系统由基础运动控制体系结构、软硬件框架及基本控制方法三部分组成。本文针对信息流依次经过水下机器人的信息层(Information)、控制层(Control)、执行层(Execute)建立一种水下机器人ICE基础运动控制体系结构，根据体系结构搭建水下机器人的硬件结构及软件框架，并对基本控制回路及控制策略进行研究，通过实验验证基本控制回路及控制策略的可行性。
针对传统体系结构存在结构庞大、信息反应慢的问题，本文建立了由信息层、控制层及执行层组成的水下机器人基础运动控制体系结构，并对体系结构组成部分的功能及联系进行研究。通过对体系结构完善性的论证，证明了该体系结构能够有效包容系统硬件、软件及控制方法；通过对体系结构合理性的论证，证明了该体系结构能使信息能顺畅流通，模块能合理发挥作用，并能够将有机地融合到水下机器人系统中。
根据控制系统的组成及“海蝎”号水下机器人的用途，本文基于ICE基础运动控制体系，建立了“海蝎”号水下机器人的控制系统结构，实现传感器、控制器、执行器等硬件的合理组合；根据“海蝎”号水下机器人需要实现的功能，本文搭建水了下机器人的软件框架，设计部分重要线程/任务的流程，并对框架程序进行封装，实现软件程序的条理化、模块化。
建立6自由度水下机器人的运动学及动力学模型，本文针对两种不同推进器布置的水下机器人进行运动学及动力学模型的简化。对水下机器人自动定向、自动定深及水下悬停的基本控制回路及控制策略进行研究，本文将研究的基本控制回路及控制策略应用到“探索”号水下机器人上，并通过水池实验，验证了所研究的基本控制回路及控制策略的可行性。
传感器采集的信息含有噪声及野点，会对水下机器人的传感器数据造成不利影响，进而影响到水下机器人的控制精度。由于光纤陀螺的传输频率较高，复杂的野点剔除算法无法适用于光纤陀螺数据的野点剔除，所以本文提出一种基于三点滚动的野点剔除方法，将该方法应用到光纤陀螺上，并通过水池实验验证该方法的可行性。
【关键词】：
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2012【分类号】：TP242【目录】：
摘要5-7ABSTRACT7-12第1章 绪论12-22 1.1 课题研究的背景和意义12 1.2 水下机器人的运动控制系统研究现状12-17 1.3 水下机器人基础运动控制系统综述17-21
1.3.1 水下机器人基础运动控制体系结构18
1.3.2 水下机器人运动控制系统软硬件基本组成18-19
1.3.3 水下机器人运动控制方法19-21 1.4 课题来源及主要研究内容21-22第2章 水下机器人 ICE 基础运动控制体系结构22-32 2.1 引言22 2.2 水下机器人体系结构探讨22-24 2.3 水下机器人 ICE 基础运动控制体系结构24-26 2.4 ICE 基础运动控制体系结构的完善性和合理性26-31
2.4.1 ICE 基础运动控制体系结构的完善性27-29
2.4.2 ICE 基础运动控制体系结构的合理性29-31 2.5 本章小结31-32第3章 水下机器人控制系统硬件结构及软件框架32-56 3.1 引言32 3.2 水下机器人控制系统组成32-36
3.2.1 水下机器人运动控制系统组成32-33
3.2.2 “海蝎”号水下机器人硬件总体结构33-35
3.2.3 “海蝎”号水下机器人各 CPU 之间通讯35-36 3.3 水下机器人控制系统硬件组成36-44
3.3.1 状态感知传感器36-40
3.3.2 基础运动控制处理器40-41
3.3.3 运动控制指令执行器41-44 3.4 水下机器人控制系统软件框架44-50
3.4.1 水下机器人岸基监测与控制程序框架44-46
3.4.2 水下机器人水下载体控制程序框架46-50 3.5 水下机器人控制系统软件部分任务基本流程50-52
3.5.1 信息层传感器数据接收及处理流程50-51
3.5.2 控制层控制任务/线程流程51
3.5.3 网络通讯服务器流程51-52 3.6 软件框架程序的封装52-55
3.6.1 AUV 类及其派生类53-55
3.6.2 框架程序封装55 3.7 本章小结55-56第4章 水下机器人运动控制方法研究56-72 4.1 引言56 4.2 水下机器人的运动学建模56-60
4.2.1 大地坐标系与载体坐标系56-57
4.2.2 坐标变换57-59
4.2.3 不同水下机器人的坐标变换矩阵59-60 4.3 水下机器人的动力学建模60-64
4.3.1 6 自由度水下机器人的动力学模型60-62
4.3.2 不同水下机器人的动力学模型62-64 4.4 水下机器人的定向控制64-66
4.4.1 水下机器人定向控制的基本控制回路64
4.4.2 水下机器人定向控制策略64-66 4.5 水下机器人的定深控制66-69
4.5.1 水下机器人定深控制的基本控制回路66-67
4.5.2 水下机器人定深控制策略67-68
4.5.3 推进器控制深度时遇到的问题68-69 4.6 水下机器人悬停控制69-71
4.6.1 水下机器人悬停控制的基本控制回路69-70
4.6.2 水下机器人悬停控制策略70-71 4.7 本章小结71-72第5章 水下机器人运动控制实验研究72-86 5.1 引言72 5.2 传感器数据处理及实验72-79
5.2.1 信息数据野点剔除规则、方法及实验研究72-76
5.2.2 信息数据五元二次平滑滤波及实验研究76-77
5.2.3 电子罗盘与光纤陀螺测试实验77-79 5.3 水下机器人的定向控制技术实验研究79-81 5.4 水下机器人的定深控制技术实验研究81-83 5.5 水下机器人的悬停控制技术实验研究83-84 5.6 本章小结84-86结论86-88参考文献88-93致谢93
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