（流体力学专业论文）开架式水下机器人运动控制技术的研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 我国拥有众多的水库和拦河大坝，迫切地需要有有效的堤坝检测手段。 综合探测水下机器人g d r o v 正是为查找江、河、湖、海的各种堤坝的裂缝、 破损和隐患等质量问题而设计的。为了提高水下机器入运动控制性能以更好 的完成指定任务，水下机器人运动控制技术的研究就成为了一个重要的研究 课题。论文旨在探讨模糊控制和神经网络控制技术在水下机器人运动控制中 的应用，并设计出性能优良的模糊神经网络控制系统。 论文首先根据开架式水下机器人g d r o v 结构特点和实际作业要求，建立 了水下机器人的四自由度运动模型，并对已有的仿真系统进行了完善。接饕 介绍了模糊控制和神经网络控制的基本原理，并设计了模糊控制器。人工神 经网络控制器和模糊神经网络控制器三种控制器。通过仿真试验比较了三种 控制器的控制效果，验证模糊神经网络控制技术应用于水下机器人运动控制 中的可行性和优越性。 关键词：开架式水下机器人：模糊控制；神经网络控制：模糊神经网络控制 目标规划 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t g e n e r a ld e t e c t i o nr e m o t e l yo p e r a t e dv e h i c l e ( g d r o v ) i sak i n do f r e m o t e l yo p e r a t e du n d e r w a t e rv e h i c l ed e s i g n e df o rt h ei n s p e c t i o no f c r a c k s ，c r e v i c e sa n do t h e rp o t e n t i a lp r o b l e m so ft h ed a m s i ti s d e s i g n e da so p e n f r a m es t r u c t u r ef o rt h er e a s o no fb e i n ge q u i p p e dw i t h m a n yd i f f e r e n ta d v a n c e di n s p e c t i n gs e n s o r sa c c o r d i n gt od i f f e r e n t t a s k s ，w h i c hr e s u l t si nt h ed i f f i c u l t yi na c q u i r i n gt h ep r e c i s em o d e l o fi t b e c a u s eo ft h ep a r t i c u l a r i t yo fo p e n f r a i n es t r u c t u r e ，g d r o vd o e s n o th a v es t r e a m l i n e dg e o m e t r yp r o f i l e ，s oi t i sm o r ed i f f i c u l tt o c o n t r o lp r e c i s e l y t h ep r o b l e mh a sn o ty e tb e e ns o l v e dv e r yw e l l i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w ea i m e da tt h ea p p l i c a t i o no ff u z z yn e u r a l n e t w o r kc o n t r o li nt h em o t i o nc o n t r o lo ft h eg d r o va n dd e s i g n e dt h e c o n t r o ls y s t e mf o rt h eg d r o v a c c o r d i n gt ot h em o v i n gc h a r a c t e r sa n dt h ed e m a n do ft h e u n d e r w a t e r v e h i c l e ，f o u r d e g r e eo ff r e e d o me q u a t i o nw a ss e tu pa tf i r s t ，i m p r o v i n g t h es i m u l a t i o ne n v i r o n m e n to fg d r o v t h e nf u z z yn e u r a ln e t w o r k c o n t r o l l e rb a s e do nd e s i r e ds t a t ep r o g r a m m i n gw a sp r e s e n t e di nt h i s d i s s e r t a t i o n ，w h i c hu s e dt h et e c h n i q u eo ff u z z yn e u r a ln e t w o r k f i h a l l y ，s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e do ng d r o v t h er e s u l t s s h o wt h a ti th a sb i g g i s hi m p r o v e m e n ti nr e s p o n s ea n dp r e c i s i o n ，w h i c h m e r g e st h em e r i t so ft r a d i t i o n a lf u z z yc o n t r o la n dn e u r a ln e t w o r k c o n t r o l ，a n dh a sg o o dr o b u s t n e s st ot h em o d e l su n c e r t a i n t ya n dt h e d i s t u r b a n c e i th a st h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：o p e n f r a m eu n d e r w a t e rv e h i c l e ，g d r o v ，f u z z yc o n t r o l ，n e u r a l n e t w o r kc o n t r o l ，f u z z yn e u r a ln e t w o r kc o n t r o l 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 牵霄 日期：扩口5 年f 月2 _ 2 ，日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 海洋是生命的摇篮，资源的宝库，交通的要道，也是兵戎相见的战场。 2 l 世纪人类面临人口膨胀和生存空闻有限的矛盾，陆地资源枯竭和社会生产 需要增长的矛盾，以及生态环境恶化和人类发展矛盾这三大挑战。占地球表 面积7 1 的海洋，是一个富饶而远未得到开发的宝库。人类要维持自身的生 存、繁衍和发展，充分利用地球圈内仅有的这块最后待开发的疆土，将是无 可回避的必然抉择“儿“。水下机器人由于其机动灵活，能够在水中长时间工作 而日益成为人类_ 丌发利用海洋资源的重要工具，同时军用智能水下机器人在 军事上也有用武之地，因此，水下机器人的研制和利用具有重要的战略价值 和意义。 1 2 水下机器人的分类 水下机器人一般分为无人和有人两大类。1 ：其中载人潜水器是我们较为 熟悉的，它又可简单分为军用潜水器和非军用潜水器( 如那些用于海底考察 的潜水器) 。目前大多数载人潜水器属于自由航行式潜水器，根据任务的不同， 它有：观察型、水下作业型、潜水员水下出入型等多种类型。世界上第一台 载人潜器a r g o n a u tt h ef i r s t ，是由西蒙莱克于1 8 9 0 年制造的。从2 0 世纪 6 0 年代中期到7 0 年代中期是载人潜器发展的鼎盛时期，其技术发展得较为 成熟，此后逐渐进入低谷。 无人水下机器人，又可分为以下四类：拖曳式，遥控式水下机器人 ( r e m o t e l yo p e r a t e dv e h i c l e ，简称r o v ，水面操作员控制) ，无人无缆式 水下机器人( u n m a n n e du n t e t h e r e dv e h i c l e ，简称u u v ，半自主式控制或预 编程控制) ，智能水下机器人( a u t o n o m o u su n d e r w a t e rv e h i c l e ，简称a u v ， 全自主式或智能式控制) 。 其中拖曳式潜水器被拖在母船后面，作为潜水器表面所安装的各种传感 器组的承载平台。r o v 是带电缆航行的，通过电缆传输能源和通讯信息，而 哈尔滨工程大学硕士学位论文 且r o v 由遥控器直接控制。u u v 不带缆线，随身携带有能源，通过无线通信 方法将遥控器发出的控制信息下达给u u v 。a u v 则不仅自身带有能源，而且通 过主动控制完成预先设定的任务，它与u u v 的区别是其使命执行过程中不需 要与外部通信。 无人无缆水下机器人主要用于军事目的，用于完成诸如海洋传导性、温 度和压力剖面的测绘等任务。在科学研究方面，主要用作活动的水声平台， 兼作水下控制程序系统的研究。目前在工业上应用较少。斯坦福大学开发的 水下机器人口仃砑( o c e a nt e c h n o l o g yt e s t b e df o re n g i n e e r i n gr e s e a r c h ) 的目的是使无人、无缆水下机器人成为科学和工业界在开发海洋中常用的一 种工具。 自主式水下机器人是随着计算机技术、通信技术、人工智能的发展而出 现的新型智能化的水下机器人，是近几年水下机器人发展的主要方向。加拿 大用5 年的时间开发了t h e s e u sa u v ，用于铺设北冰洋中冰层覆盖下的海底 光缆，也可以用于远程调查、远程猎雷等；英国在1 9 9 5 年开发了一部用于海 洋科学( 海流、温度等) 研究的a u t o s u b 一1a u v ，到1 9 9 9 年，已经在英国沿 海完成了1 7 9 项工程和科学使命。此外，美国海军研究生院的p h o e n i x 和 a r i e s ，麻省理工学院的o d y s s e y 都对自主式水下机器人的研究和应用做出了 有益的尝试。 1 3r o y 的发展，国内外研究现状及应用前景 遥控式水下机器人( r o v ) 与自治式水下机器人的最大区别，在于它的操 作控制命令和动力电源均来自水面控制平台。脐带电缆在传输机器人动力和 仪器电源的同时，还担负着下传指令、命令，上传状态和信息数据的任务，因而 常常是由特种电缆、同轴电缆或光、电复合电缆构成。 r o v 的优点在于动力充足，可以支撑复杂的探测设备和较大的作业机械 用电。信息和数据的传递和交换快捷方便、数据量大。由于其操作、运行和 控制等行为最终由水面功能强大的计算机、工作站，与操作员通过人机交互的 方式来进行，因而其总体决策能力和水平往往高于a u v 。但脐带电缆是制约其 行为的主要因素。 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 1r o v 的发展及国内外研究现状 早在2 0 世纪5 0 年代，有几个美国人想把人的视觉延伸到神秘的海底世 界，他们把摄像机密封起来送到了海底，这就是r o v 的雏形。1 9 6 0 年美国研 制成功了世界上第一台r o v 一“c u r v l ”，如图1 1 所示，它与载人潜器配 合，在西班牙外海找到了一颗失落在海底的氢弹，由此引起了极大的轰动， r o v 技术开始引起人们的重视。c u r v 2 ( 图1 2 ) 和c u r v 3 型r o v ，是美国在 c u r v l 的基础上不断改进而产生的功能更完善的r o v 。 图1 1 早期的r o v c u r v l 图1 2c u r v 2 型r o v 图1 3 r c v 一2 2 5图1 4s c o p p i o 1 9 7 5 年，第一个商业化的缆控水下机器人“r c v - - 2 2 5 ”( 图1 3 ) 问世了。“r c v 一2 2 5 ”属于观察型水下机器人，外形就像一只球，所以又称作 “眼球”。“眼球”首先工作在北海油田和墨西哥湾。从那时起，r o v 的发 哈尔滨工程大学硕士学位论文 展更加迅速，一些销量较大的优秀的r o v 相继出现，例如，美国阿美泰克 ( a m e t e k ) 公司的“s c o p i o ”水下机器人( 如图1 _ 4 ) 、佩瑞( p e r r y ) 公司的 “r e c o n - - i v ”中型水下机器人和“t r i t o n ”大型水下机器人、加拿大i s e 公司的“h y s u b ”水下机器人等。现在，r o v 在海洋开发的许多领域得到了广 泛地应用。 除了上面提到的浮游式r o v 外，为了满足海底管道和海底电缆埋设以及 修理和维护的需要，爬行式r o v 也得到了迅速的发展。 我国自二十世纪8 0 年代初开始研制r o v ，目前已经能够生产上述各种类 型的r o v ，而且，这些由我国自行研制的大中型r o v 已在海洋石油开发和海 军防救部门得到了应用。上海交通大学和中国科学院联合研制了我国第一艘 无人遥控水下机器人“海人一号”，分别与1 9 8 5 年底和1 9 8 6 年底在我国渤海 湾和南海进行了深潜试验，分别下潜到5 9 米和1 9 9 米，各项指标均达到了设 计要求。 中科院沈阳自动化研究所在“海人一号”的基础上，于1 9 8 6 开始先后研 制了r e c o n - i v 一3 0 0 一s i a 0 1 ，0 2 ，0 3 型无人遥控潜器，“金鱼号”轻型观察用水 下机器人和“海蟹号”水下工程用六足步行机器人。 1 9 9 3 年11 月，我国在大连海湾进行了“8 a 4 水下机器人”海上试验，这 标志着我国在无人有缆水下机器人方面的研究进入了一个新的阶段。 哈尔滨工程大学和长城水下高技术公司合作研制了的“水下综合探测机 器人”g d r o v 并于2 0 0 4 年6 月和2 0 0 5 年1 月在莲花湖和葛洲坝进行了外场 试验，取得了成功。本文正是以g d r o v 为研究对象的。 目前，世界上r o v 的最大下潜深度已达1 0 0 0 0 米。可以说，r o v 的工作 深度几乎已经能够覆盖全部的海洋空间。经过多年的发展，r o v 不仅已经成 为一种成熟的产品，而且已经形成一个新的产业部门，国外称之为“r o v 工 业”。 1 3 2r o v 的应用前景。1 一般来说，r o v 在国外用于如下方面： 潜水员观察作为潜水员伴侣，保证其安全和协助其工作。 平台检测从视觉探查到使用仪器监测工作平台的腐蚀、堵塞， 定位破损，到估计海洋生物污染等等。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 管线跟踪跟踪水下管线以检测漏点，到确定管线的“健康” 和保证安全质量。 扫查在安装水管、电缆和大多数离岸工程中，进行必要的视频 和声学扫查。 钻探和建造支持从视频观察、监测安装、操作支持到维修。 废物清除r 0 v 将提供一个高效、安全的海洋工作平台清理工具。 海底安装r 0 v 可支持海底建造、操作、观察、维护和修理海底 安装物，特别是在深海。 通信支持对海底通信电缆的埋设、监察和维修。 物体定位和回收寻找、定位和回收飞机和航天飞机失事残骸及 其它丢失物体。 上述应用只是一些民用应用。实际上，r o y 技术最先是始于军事应用， 如水下侦察、反水雷战等，也用于寻找和回收在水下丢失的军事装备和 武器，如鱼雷等。r o y 系统的应用将加速许多海上任务的完成和加速自治 系统的开发进程。 1 4 水下机器人运动控制技术综述 水下机器人的运动控制是其完成指定任务的前提和保障，是水下机器人 关键技术之一。随着水下机器人应用范围的扩大，对其自主性，运动控制的 精度和稳定性的要求都随之增加，如何提高其运动控制性能就成了研究的一 个重要课题。 水下机器人的运动和运动控制系统必须要考虑非线性流体动力和以潮流 为代表的环境的变化。与陆地机器人相比，从运动和运动控制的角度来看， 水下机器人有以下的特点”3 ： 水下机器人的运动速度慢，一般在几节范围内。 形体设计的自由度较大，有各种形状，难以从外部条件探讨其运动控 制的规律性。 水下机器人的附加质量较大，运动惯性较大，不能产生急剧的运动变 化。 水中潮流等干扰是随机的，要求控制系统具有较好的适应性能。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 导致水下机器人难于控制的主要因素包括： 水下机器人高度的非线性和时变的水动力学性能； 难以获得精确的水动力系数； 海流的干扰； 负载的变化引起重心和浮心的改变； 机械手的运动影响机器人本体的运动。 这些因素使得水下机器人的动力学模型难以准确，而且具有强耦合和非 线性的特点，因此当水下机器人因其力学性能变化和所处的环境发生改变而 引起控制性能下降时，要求机器人的控制系统具有自调节能力。 目前已被采用的水下机器人控制方法有：滑动模态控制、非线性控制、 自适应控制、神经网络控制和模糊控制等控制方法。 y o e r g e r 和s l o t i n e 于1 9 8 5 年提出了一种水下机器人的滑动模态控制器 用于控制机器人的轨迹。他们研究了水动力系数的不确定性和忽略相互耦合 所带来的影响。h e a l e y 和l e o n a r d 于1 9 9 3 年将滑模方法用于水下机器人的 控制，他们将系统分成几个无相互作用或弱相互作用的子系统，将某些关键 的运动方程组合起来成为独立的方程组：航向控制方程组、下潜控制方程组 和速度控制方程组”1 。 n a k a m u r a 和s a v a n t 于1 9 9 2 年基于运动学方面的考虑提出了一种非线性 的a u v 四自由度( 纵荡、横摇、纵倾、偏航) 跟踪控制方法。他们使用了系 统非完整的特性，未考虑系统的动力学性质。1 。 g o h e e n 等人于1 9 9 0 年提出了一种多变量自适应控制器作为水下机器人 自动驾驶仪，用来克服自动定位时模型的不确定性。1 。v u h 和c h o i 在1 9 9 6 年提出并实现了一种新的多输入多输出自适应控制器，试验在o d i n 自主式水 下机器人上进行“。t a b a i i 等人( 1 9 9 4 ) 研究了一种a u v 混合自适应控制器， 并进行了系统仿真，仿真是时间连续的而控制部分是离散的“。 v u h 提出将神经网络控制器应用于水下机器人的控制。在这个控制器中， 他使用了带评价函数的回归自适应算法。这个控制器的特点是系统是自调整 的而且是在线的，没有精确的动力学模型。i s h i i 等人于1 9 9 8 年提出了一种 基于神经网络的控制系统自组织神经网络控制系统( s o n c s ) “，并将它 应用于“t w i n b u r g e r ”( 一个a u v ) 的艏向控制，验证了它的有效性。在他 哈尔滨工程大学硕士学位论文 们的研究中，采用了一种被称作“虚拟跟踪”的控制器的快速自适应方法以 改善s o n c s 耗时的自适应处理过程。 1 9 9 4 年，d e b i t e t t o 研究了一种用于u u v 深度控制的1 4 个规则的模糊逻 辑控制器“。t s u k a m o t o 等人对只有一个推力器的a u v 实施位置和速度控制， 通过试验研究了四种不基于模型的控制系统：在线神经网络控制器，离线神 经网络控制器，模糊逻辑控制器和基于非回归的自适应控制。 哈尔滨工程大学水下机器人试验室在水下机器人运动控制方面也作了很 多的研究，并取得了丰硕的成果。其中：彭良教授在参考文献“4 1 中提出了一 种采用标准b p 学习算法的模型参考自适应控制方法。这种方法能够充分利用 研究人员的控制经验和神经网络的自学习能力，在水池试验中取得了良好的 控制效果。刘学敏博士在参考文献“”中提出了一种称为s 面控制的控制方法， 这种控制方法借鉴模糊逻辑控制的控制思想，设计了一种具有非线性p d 控制 器控制结构的水下机器人控制器，并在2 0 0 0 年的水下机器人海上试验中，取 得了较好的控制效果。 在a u v 的控制方法中，还有一些将各种控制方法综合考虑以克服各自缺 点的控制方法，如模糊神经网络控制、神经网络变结构控制和基于神经网络 的运动预测控制“等。 1 5 课题来源与本文主要研究内容 1 5 1 课题来源 课题来源于哈尔滨工程大学和长城水下高技术公司合作的“水下综合探 测机器人”项目。 1 5 2 论文主要内容 论文研究了水下机器人四自由度运动建模，神经网络和模糊逻辑的基本 理论及其在水下机器人运动控制中的应用。作者在阅读大量文献和全面分析 的基础上，讨论了模糊控制和神经网络控制的基本原理和应用，并结合这两 种控制方法的优点，设计了模糊神经网络控制方案，该方案理论清晰，结构 明了，通过计算机仿真试验，验证了理论和方法的正确性和可行性。 论文的主要研究内容可以概括为以下几个方面： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 ) 建立水下综合探测机器人g d r o v 运动仿真系统。 2 ) 介绍模糊控制和神经网络控制的基本理论，设计水下机器人的模糊控制 器和神经网络控制器。 3 ) 结合模糊逻辑和神经网络的优点，借鉴基于标准模型模糊神经网络的结 构形式，设计了水下机器人模糊神经网络控制器。 4 ) 仿真并分析、比较结果。 5 ) 论文总结并提出改进意见。 1 6 本章小结 本章首先介绍了水下机器人的分类及发展简史，接着阐述了遥控水下机 器人国内外研究现状，然后对水下机器人的控制方法进行了概括性的阐述， 最后，介绍了课题来源及本文主要研究内容。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章水下机器人平台及运动仿真 2 1 引言 建立水下机器人运动模型是对其进行控制的前提。但是，如果模型过于 复杂，则会导致控制系统很复杂，甚至不能实现；如果模型过于简化，就不 能真实反映系统的运动，导致控制性能的下降。因此，建立水下机器人的空 间运动方程，并简化到适于控制的运动模型，对于研究水下机器人的运动控 制来说十分重要。 为此我们要先了解水下机器人平台结构及其推进系统。在简单介绍了论 文的研究对象综合探测水下机器人的基础上，首先给出了机器人平面运动的 一般方程。在水下机器人动力学模型的基础上，建立了水下机器人运动仿真 系统，以便于控制器的设计和调试。 2 2 水下综合探测机器人g d r o v 水下综合探测机器人g d r o v 集中了现代模块化机器人技术、水下控制技 术、声纳探测技术和水下视频探测技术，是一个以图像声纳、浅剖声纳和高 清晰度摄像头为探测手段，以水下遥控机器人为载体的高科技综合体，装备 有声、光、电等多种先进传感器。机器人配备的定位传感器包括d v l 、测高 声纳、测距声纳、深度计、罗经等，主要检测传感器包括浅剖声纳，高频成 像声纳，海蝙蝠，t v 摄像头等，这样可以使机器人得到所检测坝体所需的深 度、艏向及距离等信息。 由于航速要求不高同时需要搭载不同的声纳设备，将其设计为开架式水 下机器人。该平台是框架式结构，共有6 个推力器，主推力器左右各一个， 侧推力器前后各一个，垂推力器左右各一个。根据工作要求及推力器布置， 机器人可作纵向、横向、垂向及摇艏运动。图2 1 为g d r o v 的总体结构图， 在该种情况下搭载的是海蝙蝠高频成像声纳，而图2 2 为搭载浅剖声纳时的 结构图。g d r o v 水下机器人的尺寸及主要性能见表2 1 。水下机器人配备的各 主要传感器的技术指标见表2 2 。水下机器人的控制系统如图2 3 所示。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 1 搭载高频声纳的g d r o v 图2 2 搭载浅剖声纳的g d r o v 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表2 1 “g d r o v ”水下机器人的尺寸及性能 总长 1 9 m 总宽 l m 总高 1 2 m 空气中重量2 9 3 8 公斤 最大下潜深度 2 0 0 m 最大航速1 m s 执行机构6 个直流无刷电机推进器 a r g o n a u td v l 速度计 海蝙蝠声纳 水下摄像机 传感器系统h m r 3 0 0 0 数字罗盘 定高声纳 测距声纳 深度计 一个开放式框架结构 外部结构 一个耐压电源舱 一个耐压浮力桶 表2 2 “g d r o v ”水下机器人各主要传感器的技术指标 跟踪范围：对水底跟踪方式6 0 0 m 测速范围：6 m s a r g o n a u td v l 速度计： 水底跟踪精度：小于测量速度的0 2 分辨率( 测速门限) ：0 1 a m s 精度：o 5 。 重复性：0 3 。 h m r 3 0 0 0 数字罗盘 分辨率：o 1 。 纵摇横摇测量范围：4 0 。 最大测量深度：2 0 0 m 最小测量深度：8 m 定高声纳 工作频率： 1 5 0 k h z 测量精度：1 2 4 深度计 最大测量深度：1 5 0 m 测量精度：o 1 m 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 3 水下综合探测机器人的计算机系统 2 3 坐标系的选取 2 3 1 固定坐标系与运动坐标系 为了描述水下机器人的运动，就必须首先建立适合描述水下机器人运动 的坐标系。本文根据国际水池会议( i t t c ) 推荐的和造船与轮机工程学会 ( s n a m e ) 术语公报的体系，同时参考有关资料，建立如下两种坐标系：固定 坐标系e 一勃f 和运动坐标系o x y z 。 1 固定坐标系 固定坐标系又称地面坐标系，是水下机器人作空间运动的惯性参考系。 固定坐标系的原点e 可取为地面、海面或海中的任意一定点，e f 轴的f 向 指向地心，三二轴和e r 在水平面内相互垂直，轴的正向可以任选，一般地， e f 轴与水下机器人的运动主航向一致。e 一手叩f 构成了一个右手直角坐标系 ( 见图2 4 ) 。 1 2 哈尔滨工程大学硕士学能论文 | | 铱 图2 4 固定坐标系和运动坐标系 2 运动坐标系 运动坐标系又称艇体坐标系，是固定于水下机器人艇体上的坐标系。坐 标原点0 可以取在艇体上的任一点，纵轴0 k 平行于艇体基线指向艇首，横轴 平行于基面指向右舷，垂轴晓指向艇底。0 一x y z 也构成一个右手直角坐 标系( 见图2 4 ) 。如果坐标原点取在机器人的重心g 上，贝f j 一般认为这样的 坐标轴g 譬、g ，、是机器人艇体的惯性主轴。 2 3 2 水下机器人运动的表示 用运动坐标系表明水下机器人运动的六个自出度的运动和力( 力矩) 非 常明确，见图2 5 、表2 3 及表2 4 。坐标原点相对于定系的速度u 在0 一x y z 坐标系上的三个投影分量称为纵向速度“、横向速度v 和垂向速度w ；机器 入绕原点的角速度口在0 一x y z 坐标系上的三个投影分量称为横摇角速度 p 、纵摇角速度口和摇艏角速度r ；作用在机器人上的外力，在0 一母z 坐标 系上的三个分量称为纵向力x 、横向力y 和垂向力z ；作用力对于原点的力 矩m 在0 一x y z 坐标系上的三个分量称为横摇力矩足、纵倾力矩m 和摇艏力 矩。速度和力的分量以指向坐标轴的正向为正，角速度和力矩的正负号服 从右手定则。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表2 3 运动的自由度 运动x 轴y 轴z 轴 移动进退横移潜浮 转动横摇纵摇( 俯仰)摇艏( 偏航) 表2 4 运动参数和力的动坐标分量 矢量x 轴y 轴 z轴 速度 ”v1 w 角速度q pg r 力f x y z 力矩肘 茁m 水下机器人在海洋空间上的位置和姿态，可以用运动坐标系原点的地面 坐标值( 彘，r l 。，乞) 和运动坐标系相对于固定坐标系的姿态角( ，0 ， ) 来确定。妒为横倾角，以向右倾为正：0 为纵倾角，以仰首( 亦称尾倾) 为正；为艏向角，以右转为正。 z z d y ( c ) ( a ) 空间运动( b ) 垂直面运动 ( c ) 水平面运动 图2 5 水动力角 1 4 哈尔滨j 二程大学硕七学位论文 2 ，3 3 固定坐标系和运动坐标系的转换关系 机器人在空间的位置取决于动坐标系原点在定系中的三个坐标分量彘、 r 。、q o 以及运动坐标系对于固定坐标系的三个姿态角：艏向角y 、纵倾角0 、 横倾角妒。固定坐标系通过三次旋转即可与运动坐标系重合，两坐标系的变 换关系如下“”： 圈 f c o s c o s o s i n y c 。s 口 l s i n o 式中旋转矩阵为 c o s i g c o s 0 r = ls i n g c o s o l s i n o c o s c f s i n o s i n f a s i n g c o s 旷 s i i l y s i n p s i n 妒+ c o s y c o s 妒 c o s o s i n 妒 c o s g s i n t g s i n l ( 0 一s i n c o s 妒 s i n s i n 口s i n 妒+ c o s c o s 妒 c o s o s i n q ， 则旋转矩阵的逆矩阵r - 1 为 一= b 篡瓣b 由逆变换可得： c o s g , c o s o lc o s s i n 口s i n 妒一颤n c o s 妒 c o s s i n 口c o s 妒+ s i n g s i n 妒 c o s g s i n o c o s f a + s i n 妒s m q ) i s i n g , , s i n o c o s 妒一c o s s i n f a c o s o c o s p l s i n , c o s 9 - s i n o s i n g s i n o s i n c p + c o s 妒c o s f ac o s o s i n 妒 s i n c s i n o c o s q 一c o s 妒s i n pc o s 晓c o s t p s i n p , c o s o s i n g , s i n t g s i n q 口+ c o s g g c o s r p s i n q s i n o c o s 6 p c o s p s i n 妒 1 5 ( 2 一- 2 ) ( 2 3 ) 一s i n o r c o s o s i n 口川 c o s o c c o s 刊l f j ( 2 4 ) _川钊，玎训且纠 雌邪 咖|宝妒爱 咖曲茹 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 4 平面运动假设 在一般情况下，水下机器人的运动总是具有六个自由度的空间运动。例 如，机器人在水平转向时，不但有偏航、前进和横移，而且也同时会伴随出 现横倾、纵倾等现象。不过，就实际航行来说，机器人的最基本的运动方式 是保持或改变航向以及保持或改变深度。改变航向时，其重心在水平面内运 动；改变深度时，其重心在垂直面内运动。所以，为了分析上的简化，常常 假定空间运动可以分解为互不相关的两个平面运动，即水平面运动和垂直面 运动。粗略地说，前者只考虑航向的变化而不涉及深度的变化，后者只考虑 深度的变化而不涉及航向的变化。 2 4 空间操纵运动方程 在确定水下机器人的空间操纵运动方程之前，我们要了解水下机器人所 受的外力。作用在水下机器人上的力( 矩) 大致可分成两类：一类是所谓的 水动力( 或流体动力) 。水下机器人在水中运动，艇体、舵、翼和螺旋桨等推 动周围的水产生运动，同时，水对机器人本体也产生反作用力。这种由于水 下机器人运动而引起运动的水对机器人本体的反作用力称为水动力。水对水 下机器人的这种反作用力的大小、方向及其分布都取决于水下机器人本身的 运动，它反过来影响水下机器人的运动。可见，水动力只能与水下机器人的 运动一起求得。另一类是非流体动力，又称为静力，包括水下机器人所受的 重力和浮力。另外，由风、浪、流等引起的外力与水下机器人的运动有关， 故通常也认为它们是一种流体动力。 为了问题求解方便，通常作一定程度的简化。就水下机器人的水动力来 说，通常认为水下机器人在深、广、静水域运动，而不考虑流场边界( 岸、 底、海面) 及流、内波等的影响，只考虑艇体一舵翼一桨的流体动力。在水下 机器人操纵性研究中，通常把艇体一舵翼作为一个整体，操舵看作艇形的改变， 而把螺旋桨的水动力分开来研究。这种划分和处理是人为的，是为了解决问 题的方便。由于本文建立运动方程的目的是用于设计控制器，故在本文的操 纵运动方程中，笔者将舵、翼、螺旋桨的水动力作为一个整体来考虑，而把 艇体的水动力单独考虑。 本文的操纵运动方程是基于“准定常运动”假设而建立的。所谓“准定常 哈尔滨上程大学坝士学位论文 运动”，是指以速度和加速度为标志的物体运动状态。或者说，以无因次值表 示的物体运动速度对时间的所有高阶导数都比运动速度和加速度小得多。这 种运动假定加速度随时间的变化率很小，它的极限状态就是恒定加速度的运 动。可以证明，在流体中，作准定常运动的物体，所受到的水动力只和运动 的当时状态( 即瞬时的速度和加速度) 有关，而和运动的历程无关。这一结 论大大简化了水下机器人操纵运动时水动力的确定。 根据刚体动力学理论，水下机器人空间六自由度运动的一般方程如下“： j x = 所陋一，盯+ w q - - x g ( 9 2 + ，2 ) + y g ( p g 一产) + z g ( p r + 尊) l y = m o w p - i - u r y g ( r 2 + p 2 ) + z g ( q r 一声) + x g ( 归+ ，) j z = m w u q + 甲一z g ( p 2 + q 2 ) + 工疗( p 一寸) + y g ( 甲+ 力) 】 i k = j ：p + ( ：一j ，) q r + m y g ( 谛+ v p u q ) 一z 6 ( i + u r w p ) l m = ，曹+ ( ，一，：) ，p + m z g ( 如+ w q 一矿) 一工g ( 由+ v p 一“口) l n = ，：，+ ( j ，一，) p q + m x g ( i + u r w p ) 一y g ( i + w q v r ) 】 其中： m 水下机器人的质量； x g g ，z g 一水下机器人的重心坐标： ( 2 5 ) 厶、0 ，卜水下机器人的质量m 对弧，砂，阮轴的转动惯量； “、v 、w 、p 、q 、p 一六个自由度的( 角) 速度； i 、t 、讳、庐、0 、，六个自由度的( 角) 加速度。 卫y 、z 、足、m 、_ 一六个自由度的力( 矩) ； 方程右端瓜kz 、瓜从表示作用在水下机器人上的作用力( 矩) ， 包括：水下机器人受到的重力和浮力等静力、推进器推力、舵的力、翼的力、 水下机器人运动引起的流体水动力和一些环境干扰力等。 对于艇体水动力，根据准定常运动假设，艇体水动力是运动参数“、v 、 w 、p 、q 、r 、i 、t 、伽、p 、口、i 的函数。在基准点( 通常以速度u o 作 匀速直航) 将艇体水动力晒、功、历、粕、尬，、蜥作泰勒展开，略去高阶 项，速度只取到二阶，加速度项只取线性项，并参考施生达潜艇操纵性 一书，我们对艇体水动力作相应的简化，最后得到如下的水下机器人的艇体 水动力表达式： 砌：【嘞9 2 + 岛r 2 + x r p r p + 扎i + 工、，v r + 如g w + “u u 2 + x w v 2 + 爿w 】 ( 2 6 a ) = f ，+ 0 声+ 0 l “p l p i + y w p q + ，q r + k 口+ k w + r 中w p + y t ，w r 】 + 【t “r + 。印+ _ 南| ( v 2 + w 2 ) “2 州】 + 【k “2 + y 。u v + h v i ( v 2 十w 2 ) “2 i 】+ y o 州 f 2 6 b ) z h 都乎“p “r 产+ z 邯妒z f + z 一 + z ：严+ d 葫妒+ ) 1 7 2 岫+ 和2 + 甜叶叫1 扩+ 伊) 1 7 2 | 】( 2 - - 6 c ) + 吲叫+ 叫舻+ 删2 9 + 帮 k h = x p p + k i d - + k q r q r + k p q p q + k 如i p l p l + k p u p + k r 材r + 凰1 ) 】十 k v q 叼+ k w p w p + 量w ，w 】 + 【硒u 2 + 即v + k 肿2 + w 2 ) “2 | 】+ k v w v w m h - 【j l ，口口+ m p p p 2 + m r r r 2 + | 】i f 甲甲+ m q l 口h q i + 哗扩+ + ”+ m v p v p 删产+ 一帕降列舵p + 【m 酽2 + m w + 刊叫( v 2 + w 2 ) 1 他9 + 叶训”m + 吖。i 吣2 + 1 2 ) 2 + m a w v 2 n h2 i n ，n p + n p q p q n q r q r n 艄l r l l + t n + + n r + n w 矿巾+ n v 寸m + n p u p + r 卅刊( v 2 + w 2 ) l 2 | r 】 + n 0 u 2 + n v u v + n v l v l v ( v 2 + w 2 ) “2 卜。 式中x 二，x 。，巧，z ，等都为艇体水动力导数。 ( 2 6 d ) ( 2 6 e ) ( 2 6 f ) 将艇体水动力的表达式( 2 6 ) 代入水下机器人六自由度运动的一般方程 1 8 哈尔滨工程人学硕士学位论文 式( 2 5 ) ，并将除艇体水动力之外的力表示成： f m e = i x m ey m ez 女：k m ：m ，hn 3 根据工作需要，主要利用六个推力器做升潜、横移、纵移和摇艏运动， 考虑机器人的能力及实际影响，可以近似用四自由度方程来描述【1 7 】： 【i w + w q x g ( q 2 + ，2 ) + y g i + z 6 口】= x m ( 9 + u r y c r 2 + z g g r + x g i ) = y ( 2 - 7 ) ( 谛一u q z c q 。一x g 口+ y g r q ) = z ，：i + m x g ( t + “r ) 一y g ( i v ，) = n 式中：m 水下机器人相应于水下全排水量的质量； x 。，y 。，z 。水下机器人重心在动坐标系中的坐标； ，水下机器人质量相对于动坐标系z 轴的转动惯量。 方程右端x ，y ，z ，表示的力和力矩包括：水下机器人受到的重力 和浮力、推进器的推力、水下机器人运动引起的流体水动力和一些环境外力。 由上式可知，若知道当前时刻机器人的运动状态和作用在其上的外力和外力 矩，就能解算出水下机器人下一时刻的运动状态，从而得以构建水下机器人 的运动仿真系统。 2 5 重力和浮力 作用在水下机器人上的重力是机器人各部件重量之和，它们的合作用点 为重心g ( x g ，y g ，) 。 即： p ：只 x 。：1 x 广a i p t 胪下z y o , p , z g - 逊p ( 2 8 ) 作用在水下机器人上的浮力是各个部件的浮力之和， 浮心c ( x c ，y c ，z c ) 。 即： b = b ， 它们的合作用点为 ( 2 9 ) 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 ，一x c i b i 。一 b y c ：z y c i b i ( 2 一l o ) 占 ，一进 。 b 由于水下机器人视觉系统包括浅剖声纳，高频声纳，海蝙蝠，t v 摄像头 等，而且根据具体情况搭载不同的设备，这样在建立仿真系统时很难获得堤 坝检测水下机器人的精确模型。本文水下机器人仿真系统中仅考虑主要的传 感器，在获得水下机器人受到的重力p 和浮力曰后，通过增加浮力材或调整 压载，可以使得口= p ( 实际中为保证水下机器人的安全，留有微小正浮力， 即浮力口微大于重力p ) ，且有x g = x c ，y g = y c = 0 ，一z c = h 。重力和 浮力的方向总是铅垂的，所以在固定坐标系中的分量为 0 ，0 ，p b ) 。利 用坐标转换公式将固定坐标系中的分量 0 ，0 ，p b ) 转换到运动坐标 系上去，可得： x = 一i p 一曰) t s i n 0 y = ( p b ) c o s 0 s i n 庐 ( 2 1 1 ) z = 【p b ) c o s 0 c o s 静力对于运动坐标系原点的力矩 m = r “鼻+ r c ，曰， ( 2 1 2 ) 其中r 。，r c 4 为各重力和浮力作用点对于坐标原点的径矢a 2 6 推进器推力 水下机器人的推力器系统是由六个性能完全相同的推力器组成。布置如 图2 1 所示。我们在水槽中对其推力性能作了试验，前进正车和前进倒车的