水下機器人嵌入式控制系統設計和運動(dòng)控制仿真-

ROV在水底的前進(jìn)和轉向運動(dòng)通過(guò)控制兩個(gè)螺旋槳推進(jìn)器來(lái)實(shí)現。給定參數為航速和航向角,輸出為兩個(gè)推進(jìn)器的推力。這里航向角控制器選擇PID調節器。只有兩個(gè)推進(jìn)器,推力分配算法簡(jiǎn)單。

5 仿真研究為了驗證水下探測ROV設計的合理性,進(jìn)行了仿真研究。5.1 水下機器人模型建立水下機器人6自由度運動(dòng)模型的各個(gè)自由度彼此之間存在耦合,由于水下探測ROV常在低速下運動(dòng),可以將其運動(dòng)分解為為水平面運動(dòng)(包括狀態(tài)變量

)和垂直面運動(dòng)(包括狀態(tài)變量

)兩部分,并且認為這兩個(gè)自由度之間不存在耦合關(guān)系。結合本文研究對象的情況,設計方案中ROV的外形為左右、前后對稱(chēng),且重力、浮力分布可使其保持水平狀態(tài),無(wú)橫傾或縱傾。其在水平面運動(dòng)過(guò)程中,ROV滿(mǎn)足條件:

此外,由于其只沿縱向平行安裝兩個(gè)水平推進(jìn)器,推進(jìn)器的作用只限于產(chǎn)生水下機器人的進(jìn)退和轉艏運動(dòng)。當左右推進(jìn)器產(chǎn)生相同推力矢量時(shí)可引起進(jìn)退運動(dòng),而當兩者產(chǎn)生大小或方向不同的推力時(shí)則可引起轉艏運動(dòng)。根據上述假設和條件可以得到ROV在水平面內的簡(jiǎn)化模型:

式中:

——包含附加質(zhì)量的質(zhì)量和轉動(dòng)慣量;

—沿

方向的流體阻力中線(xiàn)性項和非線(xiàn)性項;

——繞Z軸轉動(dòng)方向的流體阻力的線(xiàn)性項和非線(xiàn)性項;

——為推進(jìn)器產(chǎn)生的X軸向力和繞Z軸的轉艏力矩。ROV采用壓載水艙進(jìn)行垂直面的位置控制,其在垂直面的模型可以簡(jiǎn)化為:

式中:

——包含附加質(zhì)量的質(zhì)量;

——沿Z方向流體阻力的線(xiàn)性項和非線(xiàn)性項;

——壓載水艙產(chǎn)生的垂向作用力。5.2 仿真驗證

仿真情況設定為:ROV由初始靜止狀態(tài)開(kāi)始運動(dòng)。為實(shí)現直航,需保持左右推進(jìn)器輸出相同大小和方向的推力。不同推力情況下ROV的速度響應曲線(xiàn)如圖4所示。由速度響應曲線(xiàn)可以發(fā)現,其速度經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的增加后最終保持在一定的數值,此時(shí)推力與阻力達到動(dòng)態(tài)平衡,ROV作勻速直線(xiàn)航行。令

表示ROV在大地坐標系下的位置和姿態(tài)。圖5為ROV由初態(tài)

控制ROV垂直下潛到10米處懸停。ROV橫傾角

的控制是通過(guò)調節特種ROV左右兩個(gè)浮力調節艙的不同的注、排水量來(lái)產(chǎn)生左右兩個(gè)浮力調節艙的浮力差,即產(chǎn)生旋轉運動(dòng)的偏傾力矩。其仿真結果如下圖6所示。從仿真實(shí)驗結果看出所設計的ROV深度協(xié)調控制器達到了預期的控制效果。

6 結束語(yǔ)本文介紹了開(kāi)架式水下探測機器人的結構、傳感器系統,基于A(yíng)T91RM9200處理器設計了ROV嵌入式控制器。建立了ROV的數學(xué)模型,提出了ROV垂直面協(xié)調運動(dòng)控制的方法,并進(jìn)行了深度和橫傾角協(xié)調控制仿真。仿真實(shí)驗證明控制器設計的有效性。

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