基于Arduino的小型浅水水下机器人研制

论文摘要

随着人类社会的不断发展,海洋资源愈发得到人们的重视,水下机器人得到了广阔的应用前景,针对小型ROV在近海平台等浅水环境顶流作业能力差、运动控制难的问题,研制开发了基于Arduino小型浅水作业ROV精灵号,可进行浅海和湖泊环境的观察取样等工作。首先确定了总体的设计方案,提出了具体的应用技术参数,设计了耐压结构的形式、材料、密封和防腐措施,完成了耐压结构的设计和校核,并使用仿真工具进行了性能验证。提出以Arduino mega 2560作为核心控制器的控制系统架构,以Arduino为核心,进行水面操作终端和水下控制终端的搭建,并通过串口通信方式建立上下系统通信,并完成图像信息的传输。研究水下机器人系统坐标系,建立了精灵号ROV的动力学模型,求解艏向运动传递函数,设计了PID控制器、模糊PID控制器、单输入模糊PID控制器进行艏向运动控制,并对三种算法在Simulink环境下进行了系统仿真,相比于其他两种控制器,单输入模糊PID算法响应更加迅速,超调量小,且系统稳定。最后,通过实验对耐压结构进行了打压测试,实验结果表明所设计电子舱、电源舱等密封结构满足使用压力,通过水池实验验证了以Arduino为核心的精灵号浅水ROV控制系统设计的可行性,同时验证了推力矢量合成的实际效果,验证了单输入模糊PID算法对机器人艏向运动有明显效果。

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 课题来源及研究背景

1.1.1 课题来源

1.1.2 研究背景

1.2 水下机器人国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 ROV控制方法的研究进展

1.4 本文主要研究内容

第二章 ROV本体结构设计

2.1 ROV总体方案

2.2 载体框架设计

2.3 耐压结构设计

2.3.1 电源舱结构设计

2.3.2 电子舱结构设计

2.3.3 摄像机密封舱设计

2.4 推进器方案设计

2.5 本章小结

第三章控制系统硬件设计

3.1 ROV控制系统总体设计

3.2 配电系统设计

3.3 水上控制系统设计

3.4 水下控制系统设计

3.4.1 控制板设计

3.4.2 传感器数据采集

3.5 信号通信系统设计

3.5.1 控制信号通信设计

3.5.2 图像信息通信设计

3.6 本章小结

第四章动力学建模与控制方法研究

4.1 引言

4.2 水下机器人运动数学模型研究

4.2.1 坐标系的选取与转换

4.2.2 空间运动受力分析

4.2.3 水下机器人六自由度运动方程

4.2.4 艏向运动方程

4.3 水下机器人PID控制器设计

4.3.1 PID控制原理

4.4 水下机器人模糊PID控制

4.4.1 模糊控制原理

4.4.2 模糊PID控制器的设计

4.5 水下机器人单输入模糊PID控制器的设计

4.5.1 符号距离法

4.5.2 单输入模糊PID控制器的设计

4.5.3 三种控制器性能仿真对比

4.6 本章小结

第五章实验研究

5.1 压力实验

5.2 水池实验

5.2.1 实验设计

5.2.2 实验结果与分析

5.3 泳池实验

5.3.1 多自由度运动实验

5.3.2 艏向运动实验

5.4 本章小结

结论

参考文献

发表文章及研究成果

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 范涛

导师: 崔晓华,王克宽

关键词: 水下机器人,控制系统,单输入,模糊控制

来源: 东北石油大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 海洋学,自动化技术

单位: 东北石油大学

基金: 中国石油天然气集团公司科学研究与技术开发项目“海洋油气勘探开发工程关键技术”(项目编号:2016A-1006)子课题“海洋工程装备关键技术”

分类号: TP242;P715

DOI: 10.26995/d.cnki.gdqsc.2019.000425

总页数: 62

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