【硕士论文】超小型水下机器人的设计和控制.pdf

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1、上海大学博士学位论文摘要本文针对超小型水下机器人在运动中存在的问题，设计了一种新的超小型水下机器人的沉浮结构形式，着重研究了其运动学动力学性能、探讨了相应控制算法、进行了水下试验，具体研究内容如下：首先，超小型水下机器人由于体积小重量轻，在水中沉浮时悬停平衡控制困难，为此进行了一种新的活塞式沉浮系统设计(发明专利已授权)，该系统使水下机器人能够在无动力驱动的情况下，使其呈水平状态稳定悬浮在水中。论文还对整个系统的推力和阻力进行了分析和计算。其次，超小型水下机器人是一种多参数、耦合性较强的系统，针对本文提出的结构形式，在结构

2、上实现了系统的解耦。在此基础上，对水下机器人系统进行了变结构PID控制、优化调整参数控制、增加干扰水流信号的控制。通过一系列仿真及样机试验研究表明：变结构PID控制对本文设计的沉浮系统的运动，能达到一定的悬停控制效果。在无干扰水流情况下，水中推进响应速度较快，能够满足控制要求；在小扰动水流时，PID控制能够实现推进运动控制，但稳定性有所下降。为此，对沉浮运动采用了灰模型PID控制的方法，结果表明其控制性能和稳定性均优于变结构PID控制，且有较大的抗水流能力。设计了控制系统的软硬件和通讯系统，该超小型水下机器人的控制系统以多

3、机通讯的方式分别控制沉浮系统和推进系统。能够实现上位PC机和整机之间的通讯和控制。针对本文的超小型水下机器人，首次建立了基于模糊语言的模糊逆模型，构造了其动力学模型的模糊控制规则库，设计了相应的模糊控制器；给出了双螺旋桨水下机器人保持航向的模糊控制策略；仿真试验结果表明，该模型比变结构PID模型有更好的抗干扰控制能力。针对模糊逆模型不容易建立的问题，本文还对利用神经网络进行在线逆模型辨识，进行自适应模糊神经网络控制的方法进行了探讨，给出了控制框图。最后，用论文中研制的活塞式超小型水下机器人实验平台，在水箱进行了水下试验研究

4、，试验结果验证了论文研究工作的正确性和实验系统的有效性。本超小型水下机器人在设计过程中申请了三项国家发明专利，一项实用新型专利，其中三项已经授权，一项受理。关键词：超小型水下机器人，活塞式沉浮系统，变结构PID，灰色PID控制，模糊逆模型上海大学博士学位论文ABSTRACTInviewofthekeyproblemofsubminiatureunderwaterrobots，structuralimproving，controlalgorithmandunderwaterexperimentisstudied．Theyca

5、nbedescribedasfollow：Firstly,thesubminiatureunderwaterrobotshouldbecompactinsizeandlowcost．forwhich，itiSdi伍cultforUStocontrolitsbalance．Sothat，anewkindofpiston—styleupsanddownssystemwasinvented(thepatenthasbeenauthorized)，whichCallkeeptheunderwaterrobothorizontall

6、ysuspendedinthewaterwithoutdrivingforce．Besides，thesystem’Sdrivingforceandtheresistancearealsoanalyzedinthispaper．Secondly,thesub—miniunderwaterrobotisamulti-parametersystemwithastrongcoupling．Thestructurereferredinthispapercanminimizeitscoupling．Aboveonthisbasis，

7、variablestructurePIDcontrol，optimaladjustmentofparametersandthecontroloftheinterferencesignalflowarecarriedoutinthepaper．Throughaseriesofsimulationandprototypeteststudywegainthat：theuseofthevariablestructurePIDcontrolontheupsanddownssystemcanhelpUSachievecertainho

8、vercontroleffect．Therobothasafasterresponsespeedwhichcallmeetourcontrolrequirementswithoutinterferenceflow；whenthereiSasmallinterferenceflowaround．PIDco