（机械电子工程专业论文）基于虚拟样机技术的自治水下机器人仿真系统研究.pdf

基于虚拟样机技术的自治水下机器人仿真系统研究 学位论文完成同期： 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： 丝坐 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ( 注：如没有其他需要特别声明的，本栏可空) 或其他教育机构的学位或证书 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：参咯叼签字日期：汐f 9 年口月6 加 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，并同意以 下事项： l 、学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。 2 、学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权清华大学“中 国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社”用于出版和编入c n k i 中国知识资源总库， 授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学雠文储繇嘶叼 签字日期：沙f 夕年口6 月。j l , h r 下 适 算 种 的 境 不 本文通过p r o e n g i n e e r 建立了a u v 的三维实体模型，通过a n s y s 对a u v 的重要零部件进行了有限元分析。根据建立好的三维实体模犁，构建基于 p r o e n g i n e e r 和a d a m s 联合的a u v 虚拟样机。为了a u v 仿真分析的需要， 建立了a u v 的空间运动的数学模型。通过对a u v 推进器的下水试验，对推进 器的推力性能进行了辨识，并结合a u v 水下受到的水动力、海流和其他外力作 用，建立了a u v 虚拟样机的受力模型。通过结合a u v 虚拟样机和控制算法， 构建了基于a d a m s 和m a t l a b s i m u l i n k 联合的交互式控制仿真系统。并通过 该系统，对a u v 采取了经典p i d 控制仿真和自适应鲁棒控制仿真。通过对仿真 结果的分析，验证了a u v 所采取的控制算法的控制性能，同时也验证了本系统 的可行性。 通过构建a u v 的虚拟样机，可以为物理样机的加工制造提供可靠的依据。 通过建立联合a d a m s 和m a t l a b s i m u l i n k 的交互式仿真系统，可以为a u v 的控制算法进行初步验证，并且能够方便地进行控制系统参数优化和性能预测。 关键词：自治水下机器人；虚拟样机；有限元分析；数学模型；联合仿真 b a s e d o nb e c a u s e o c e a nc o n t a i n sh u g em i n e r a lr e s o u r c e sa n do c c u p i e sa ni m p o r t a n tp o s i t i o ni nb o t h m i l i t a r ya n dp o l i t i c a lf i e l d 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 ( a u v ) ，a sab r a n c ho ft h e u n d e r w a t e rv e h i c l e s ，h a ss om a n ya d v a n t a g e ss u c ha sa d a p t a b l et oe n v i r o n m e n t a l c o n d i t i o n s ，e x t e n s i v es c o p eo fa c t i v i t y , c o n v e n i e n ti no p e r a t i o na n ds oo n , w h i c h m a k e si tt ob eah o tr e s e a r c hf i e l d v i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g yi sak i n do fd i g i t a ld e s i g n i n gm e t h o d sw h i c ha r e b a s e do nc o m p u t e rs i m u l a t i o n i ti san e wc o m p u t e r - a i d e de n g i n e e r i n gc o u p l e dw i t h t h e d e v e l o p m e n t o fc o m p u t e rt e c h n o l o g y v i r t u a l p r o t o t y p et e c h n o l o g y i sa m u l t i d i s c i p l i n a r y , m a i n l yb a s e do nt h ek i n e m a t i c s ，d y n a m i c sa n dc o n t r o lt h e o r yo f m e c h a n i c a ls y s t e mc o m b i n e dw i t ht h ec o m p u t e rg r a p h i c st e c h n o l o g yg u i ( g r a p h i c u s e ri n t e r f a c e ) t e c h n o l o g y t h es i m u l a t i o np r o v i d e st h ew o r k i n gc o n d i t i o n sj u s tm o s t l y l i k et h em e c h a n i s mw o r k i n gi nt h er e a lw o r k i n gc o n d i t i o n s a n dt h ev i r t u a lp r o t o t y p e t e c h n o l o g yi s a i m e df o ro b t a i n i n gt h e a n a l y s i sr e s u l t st h r o u g ht h e s i m u l a t i o no f k i n e m a t i c sa n dd y n a m i c so fm e c h a n i c a ls y s t e ma n dp u r s u i n ga no p t i m a ld e s i g n t h r o u g ht h ea n a l y s i so f t h er e s u l t sa n dt h eo p t i m i z a t i o no fm e c h a n i c a ls y s t e m t h em a i nc o n t r i b u t i o no ft h i sd i s s e r t a t i o ni ss u m m a r i z e da sf o l l o w i n g ：t h e t h r e e d i m e n s i o n a ls o l i dm o d e li se s t a b l i s h e db yt h ep r o e n g i n e e rs o f t w a r ew h i l e t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fs o m ei m p o r t a n tc o m p o n e n t so fa u vi sc a r d e do u tb yt h e a n s y ss o f t w a r e t h ev i r t u a lp r o t o t y p eo fa u vi sb u i l tb a s e do nt h ea d a m s s o f l ：w a r ec o m b i n e dw i t hp r o e n g i n e e r a n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ea u v s m o t i o ni ss e tu pf o rt h es i m u l a t i o ns y s t e m t h ep e r f o r m a n c eo ft h et h r u s t e rf o r c e sa r e i d e n t i f i e db a s e do nt h ed a t ao b t a i n e db yt h eu n d e r w a t e rt e s t i no r d e rt oe s t a b l i s h i n g t h em e c h a n i c a lm o d e lo fv i r t u a lp r o t o t y p eo ft h ea u v , t h r u s t e rf o r c e s ，h y d r o d y n a m i c f o r c e sa n dm o m e n t s ，t h ee f f e c t so fo c e a nc u r r e n ta n do t h e re x t e r n a lf o r c e sa r ei m p o s e d o nt h ea u v t h ec o o r d i n a t e ds i m u l a t i o ns y s t e mw a se s t a b l i s h e db a s e do nt h e a d a m s c o n t r o l sc o m b i n e dw i t hm a t l a b s i m u l i n k t h ep e r f o r m a n c e so fc l a s s i c a l p i dc o n t r o la n da d a p t i v er o b u s tc o n t r o la r ev e r i f i e di nt h ec o o r d i n a t e ds i m u l a t i o n s y s t e m t h ev i r t u a lp r o t o t y p eo fa u vc a no f f e rr e f e r e n c e sf o rt h ep h y s i c a lp r o t o t y p e m a n u f a c t u r i n g t h ei n t e r a c t i v ec o o r d i n a t e ds i m u l a t i o ns y s t e mb a s e do nt h ea d a m s c o m b i n e dw i t hm a t l a b s i m u l i n kc a np r o v i d ee v a l u a t i o n so ft h ec o n t r o ls t r a t e g yo f a u v w h a t sm o r e ，t h ec o n t r o ls t r a t e g yc a nb eo p t i m i z e dt h r o u g ht h ec o o r d i n a t e d i n a t e d 目录 l 绪 仑1 1 1 引言l 1 2 水下机器人的发展现状1 1 2 1 水下机器人的分类1 1 2 2a u v 的国内外发展现状一2 1 2 3a u v 的发展趋势4 1 3a u v 控制仿真技术研究状况5 1 4 课题来源和主要研究内容7 2a u v 的虚拟样机建模8 2 1a u v 虚拟样机建模方法8 2 1 1 虚拟样机技术简介8 2 1 2a d a m s 概述9 2 1 3 基于a d a m s 与p r o e n g i n e e r 联合建立虚拟样机模型1 2 2 2a u v 虚拟样机初步l3 2 2 1a u v 结构的罄体规划1 3 2 2 2a u v 的三维实体建模1 4 2 2 3a u v 高压舱的有限元分析1 4 2 2 4a u v 的优化17 2 2 5a u v 虚拟样机建立初步18 3a u v 的数学仿真模型2 l 3 1 坐标系2 1 3 2a u v 的空间运动方程2 l 3 2 1a u v 运动参数的定义2 l 3 2 2 地面坐标系与载体坐标系之间的转换2 2 3 2 3a u v 在合力作用下的空间运动表达式2 3 3 2 4a u v 的水动力2 4 3 2 5 推进器的推力( 矩) 及推进器性能辨识2 8 3 2 7a u v 的空间运动方程。3 3 3 3 本章小结3 7 4 基于虚拟样机的a u v 联合仿真系统的建立3 8 4 1a d a m s 中a u v 的受力模型3 8 4 1 1 状态变量定义3 8 4 1 2a u v 虚拟样机受力模型3 8 4 2a u v 三个坐标轴方向的运动性能一4 0 4 2 1a u v 的纵向运动性能4 0 4 2 2a u v 的垂向运动性能4l 4 3 联合控制仿真系统4 3 4 3 1m a t l a b s i m u l i n k 简介4 3 4 3 2a u v 的控制系统模型4 4 4 4 基于联合仿真系统的a u v 控制仿真4 6 4 4 1 以经典p i d 为控制策略的空间定位仿真4 6 4 4 2 以自适应鲁棒控制为控制策略的空间姿态控制仿真5 3 4 5 本章小结5 8 5 全文总结和工作展望5 9 5 1 全文总结5 9 5 2 工作展望5 9 参考文献6 1 致谢6 5 个人简历6 6 发表的学术论文6 6 线转移到了海洋领 空间，蕴藏着丰富 的海洋生物资源( 如各种鱼类等) 、海洋矿物资源( 如石油、天然气等) 和海洋 能源( 如海洋潮汐、波浪能等) 【l 】。正因为如此，海洋空间成了大国军事上、政 治上关注的焦点，二十一世纪是海洋的世纪，海洋经济、海洋开发和海洋军民 装备的发展需要更是给水下机器人技术的发展提供了前所未有的动力【2 1 。 伴随着海洋开发活动的同益频繁与深入，水下机器人的应用也越来越广泛， 如海洋考察、海底地形测绘、海洋环境监测、海洋油气勘探与开采、海底资源 勘测、海底管线电缆的铺设与维修、海洋救捞、海洋工程、海洋矿物丌采等， 这些涉海行为也必将从浅海迈向深海，考虑到深海极度复杂的未知恶劣环境， 水下机器人的重要性就显得尤为突出，自然而然的水下机器人成为人类征服海 洋的主要工具。水下机器人是一种多学科，多种高科技技术集成的产物，对于 发展我国海洋军事和海洋经济具有特殊重要意义。大力发展水下机器人并将其 作为海洋战略制高点，将对我国海洋重大装备的水平有很大的推动作用，为海 洋支柱产业以及新型的海洋产业提供完善的技术支持和全面的装备保障，从而 为国家海洋战略创造有利条件与强大的国际竞争能力。 自治水下机器人( a u v ) 由于摆脱了线缆的束缚，结合自身的智能化程序控 制，使其具有环境适应性强、活动范围大、使用方便等诸多优势，正成为各发 达国家军事机构和科研机构研究的热门领域，是海洋科技研究的前沿。 l 。2 水下机器人的发展现状 1 2 1 水下机器人的分类 水下机器人一般分为载人水下机器人( h u m a no c c u p i e dv e h i c l e ) 和无人水 下机器人( u n m a n n e du n d e r w a t e rv e h i c l e ) 两大类。其中无人水下机器人又分为 基于虚拟样机技术的自治水下机器人仿真系统研究 无人遥控水下机器人( r e m o t e l yo p e r a t e dv e h i c l e ) 和自治水下机器人 ( 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 ) 【3 1 。 自治水下机器人( 简称a u v ) 是伴随着计算机技术、通信技术和人工智能 技术的发展而发展起来的新型的智能化的机器人。相比载人水下机器人( 简称 h o v ) ，由于不携带人，不会危及人的生命，所以安全性能高，可以在一些危险 场合作业。相比无人遥控水下机器人( 简称r o v ) ，由于a u v 不携带电缆，就 避免了由于作业而被电缆缠绕的风险，而且活动范围大，下潜深度更大，可以 进入复杂的结构中工作而不需要庞大的水面支持等优点。自治式水下机器人尤 其受到各国研究者的广泛关注【4 j 。 1 2 2a u v 的国内外发展现状 a u v 始于二十世纪六十年代。以华盛顿大学应用实验室研制的自推进式水 下研究机器人( s p u v ) 为代表，该a u v 在水文调查等方面取得了一些成矧川。 伴随着计算机技术、通信技术、导航技术和人工智能技术的发展，加上军事活 动、资源勘探的需要，a u v 得到了快速的发展，国内外开发了一批能够在不同 深度，不同环境下工作的a u v 。下面对国内外a u v 的发展做简单的介绍。 1 国外a u v 的发展状况 伴随着电子技术、计算机技术、仿真技术、智能控制和人工智能技术的发展， 国外相继研制出了一批先进的a u v ，其典型代表如下： ( 1 ) 由美国海军研究生院( n s p n a v a lp o s t g r a d u a t es c h 0 0 1 ) 的海军官员和科学 家共同研制开发的“p h o e n i x ”和“a r i e s ”，主要功能能够实现导航、避碰、实时作 业控制、再规划、目标识别和平台的动力运动控制等，而且在军事上可以用于 水雷战。p h o e n i x 的形状像一只小海豚，长8 英尺，排水量为3 8 7 磅，续航能力 达3 个小时，最大航速约为2 节( 6 】；a r i e s 的尺寸为3 m x 0 4 m x o 2 5 m ，最大航 速约为3 5 节，续航能力可达4 小时【7 8 l 。 ( 2 ) 由美国麻省理工学院( m i t - m a s s a c h u s e t t si n s t i t u t eo f f e c h n o l o g y ) 丌发的水 下机器人o d y s s e y 系列水下机器人，主要用来进行海底地形绘制、环境监测和 水下资源调查。其中o d y s s e y3 系列c a r i b o u 水下机器人，直径为0 5 3 m ，长度 为5 m ，最大下潜深度为4 5 0 0 m ，最大航速为5 节，续航能力可达6 小时。并且 2 深度为6 0 0 0 m ，续航能力可达2 2 小时，最大航速为4 节。 ( 5 ) 由日本东京大学的水下机器人及应用实验室( u n d e r w a t e rr o b o t i c s & a p p l i c a t i o nl a b ) 研制的r l 、r 2 d 4 、t r i - d o g l 和t w i n b u e g e r i & 2 等系列水 下机器人，其中t w i n b u e g e r l & 2 主要用于水下机器人智能控制的平台，对 软硬件仿真系统进行调试和开发【l l 】。r 2 d 4 主要用于海底热水带的调查，该水下 机器人的尺寸：4 6 m x l 1 m x 0 8 1 m ，最大下潜深度为4 0 0 0 m ，最大航速为3 节。 ( 6 ) 由美国夏威夷大学的自主式系统实验室( a u t o n o m o u ss y s t e ml a b ) 所研 制的o d i n 水下机器人，该水下机器人为一个六自由度运动的球形机器人【1 2 - 1 4 】， o d i n 主要作为水下机器人试验的平台，来完成对自适应路径规划和智能导航等 控制算法的验证。 ( 7 ) 由俄罗斯研制的m t - 8 8 的水下机器人，是一种可以预先编程的水下机 器人，程序在下水之前输入，而且通过有声通信校正。水下机器人的轨迹一般 是按照水动力物理测量的或者是按照海底附近的拍照和远距离观察的要求设 定。该水下机器人最大的下潜深度为6 0 0 0 m ，最大航速为1 2 r n s ，最大续航能力 可达6 小时。 ( 8 ) 由丹麦研制的 m a r t i n ”水下机器入，该水下机器人开发有水声导航系统， 主要用于海洋环境的研究和海底安装的监视。在该a u v 的基础上，开发了基于 声纳信号的探测和识别，可以避开水下未知物体【1 5 1 。 ( 9 ) 由美国大西洋大学的海洋工程系与海洋科学系共同开发研制的“o c e a n v o y a g e ri i ”，该水下机器入主要用于沿海海洋学研究，其长度为2 4 米，最大航 速为1 5 4 r n s ，续航能力可达8 小时【1 6 】。 2 国内a u v 的发展状况 我国a u v 研究的起步比较晚，a u v 的研制取得突破性的发展主要在上个世 3 幕十虚拟样机技术的白治水下机器人仿真系统究 纪九十年代，主要代表是：1 9 9 4 ，在中科院沈阳自动化研究所研制的“探索者” 号自治式水下机器人，并在西沙群岛近海成功下潜到1 0 0 0 米，成为我国到达深 海的先驱。1 9 9 5 年，与俄罗斯合作，设计了下潜深度6 0 0 0 米的自治水下机器人 “c r 一0 l a ”，其水下最大航速为2 节，续航能力达1 0 小时，并在夏威夷海域成 功下潜到5 3 0 0 米拍摄到了清晰的锰结核照片，为科研工作者收集了大量珍贵资 料，本次成功潜海也标志着我国进入水下6 0 0 0 米级别的水下机器人研制的国家 行列。1 9 9 7 年，“c r 一0 l ”经过改装换代为“c r - - 0 2 ”，丌创性的研制了对转槽道 推力器用于“c r 一0 2 ”，并在太平洋海域完成了深海调查任务，并获得了大量的 资料和数据。这两次深海试验的成功，标志着我国研制的第一代6 0 0 0 米水下机 器人已经进入应用阶段【l 刀。另外，以哈尔滨工程大学为代表的一批高校和科研 机构，也对a u v 的研制开发注入了很大的动力。比较典型的是“智水”系列军 用自治水下机器人，标志着我国研制的自治水下机器人在智能控制等技术方面 已经接近世界先进水平【1 8 - 1 9 1 。 1 2 3a u v 的发展趋势f 4 】 1 向深海发展 a u v 的深海发展是很多大国的战略目标，深海能源的开采更是各国政府大 力支持的方向。6 0 0 0 米水深技术作为水下机器人发展的一个目标。一些发达国 家，如法国、美国、同本和俄罗斯先后研制成功下潜6 0 0 0 米级的a u v 。如美国 伍兹霍尔海洋研究所研制成功的深海探测器“a e b ”，能够在水深6 0 0 0 米的海底 停留达一年：同本在1 9 9 3 年研制成功的下潜深度为l1 0 0 0 米的深海无人潜水器 “海沟号”。 2 向远程发展 所谓远程，即航程超过5 0 0 海里的水下机器人。一些发达国家，先后推出了 远程水下机器人计划。阻碍水下机器人向远程发展的主要障碍是能源问题，所 以能源研究作为各个国家研究的重点，并在口j + 利用能源如一次电池、二次电池、 和能源、太阳能等领域取得了很大的进展。 3 向多功能智能化发展 目前多数水下机器人的主要功能是观测和测量，而缺乏作业能力。而丌发有 4 水下机器 标，开发 下机器人 政府机构 和智能传 感器来有效的建立多个水下机器人之问的通信和磋商，从而达到多个水下机器 人的群体行为控制，协调多个机器人协同完成任务是未来群体水下机器人的发 展趋势。 1 3a u v 控制仿真技术研究状况 自治水下机器人技术主要包括本体结构设计、系统的驱动、导航与控制和传 感器设计与布局等。a u v 的控制技术的研究主要有以下方面：控制系统体系结 构、动力学建模、导航策略、运动控制算法、路径规划、避障以及编队等。其 中动力学的建模是a u v 运动控制中的理论基础。a u v 动力学建模方法目前主 要有两种：牛顿欧拉法( n e w e u l e r ) 和拉格朗日法( l a g r a n g e ) 2 0 - 2 2 】。由于a u v 的形体各异以及考虑到流场环境下a u v 动力学建模的复杂性，对于a u v 的动 力学模型常常结合工程应用的实际情况，进行适当的简化【2 。a u v 所受到的水 动力主要取决于水动力参数，由于水动力的特性参数主要跟a u v 的外形有关， 因此不同a u v 的水动力参数值的差别很大。一般地，获取a u v 水动力学参数 的方法有四种：实体模型水池试验法【2 3 。2 4 1 、三维建模计算法f 2 5 l 、参数辨识法【2 6 - 2 8 】 和经验公式计算法【2 8 2 9 】。 a u v 的控制算法，国内外学者对其进行了大量研究，如p i d 控制【2 9 。2 1 ，现 代控制【3 3 1 ，非线性控制【3 4 35 1 ，模糊控制3 6 。3 7 1 ，滑模控制【3 8 。3 9 1 ，自适应控制f 4 0 4 1 1 ， 神经元网络控锌j l j 4 2 4 3 1 等。水下机器人是具有六自由度的多变量系统，加上水下 环境的不确定性，这就要求a u v 的航行控制算法具有较高的鲁棒性，但是另一 s 皋二虚拟样机技术的自治水下机器人仿真系统研究 方面，从工程的角度考虑，a u v 的控制系统又不能过于复杂，控制算法必须足 够的简单，参数意义必须明确，必须能够通过其自身携带的计算机实现，否则 很难运用于实际。工程上被广泛采用的是p i d 控制方法，根据实际情况丌发适 合a u v 的控制算法有重要的意义。另外考虑到a u v 进行水下探测或者作业时， 不可避免的将会遇到一些影响其工作的障碍物，为了保证其安全必须进行及时 的避障处理，这样对于保护a u v 以及对a u v 的任务完成能力都有积极的意义。 近年来，国内外许多学者对a u v 的避障问题进行了深入的研究，提出了许多可 行的避障方法，如基于运动平衡点的避障方法、基于模糊神经网络的局部路径 规划方法、模糊决策法、人工势场法等。对于多水下机器人协同作业的，编队 控制就显得尤其重要，其编队的方法主要有：领导一跟随法( 1 e a d e r - f o l l o w i n g ) 、 基于行为法( b e h a v i o r - b a s e d ) 和虚拟结构法( v i r t u a l s t r u c t u r e ) 1 4 4 4 5 1 。目前，对a u v 编队的研究大多还只是处于理论阶段，真j 下付诸试验的并不多见。作为a o s n - i i 项目的一部分，2 0 0 3 年8 月，普林斯顿大学的学者做了多个g l i d e r 协同编队的 试验【4 6 】；爱达荷州大学的学者也曾用船模拟a u v 完成了多个a u v 编队的试验 1 4 7 o 仿真，英文为“：s i m u l a t i o n ”。一般定义为：仿真是通过对系统模型的实验去 研究一个存在的或设计中的系统。仿真技术的本质就是用模型代替实际系统进 行实验研究。a u v 仿真分为外部仿真和内部仿真，其中外部仿真就是a u v 所 处的环境，或者称为视景仿真，随着计算机软、硬件的发展，外部仿真有了长 足的发展。这个不是本文讨论的重点；所谓内部仿真是指a u v 本身结构功能、 运动控制的仿真，内部仿真作为本文的重点。内部仿真作为整个仿真工作中必 不可少的部分，其典型过程为：系统模型建立仿真模型建立仿真程序 设计模型验证仿真试验结果数据分析等。内部仿真对于a u v 的性 能试验，对于a u v 安全下水和顺利完成作业任务有着重要意义。a u v 运动仿 真可以得到a u v 的操纵性能和运动性能的预报。a u v 的操纵性是指a u v 借助 其操纵装置来改变或保持其运动速度、姿态、方向和深度的功能。而控制仿真， 不仅可以研究a u v 的操纵性能，更能对控制算法作用于a u v 的控制响应做出 预判，通过得到的控制响应结构来改进和优化控制算法。其中，虚拟样机技术 的发展，使得基于虚拟样机的a u v 控制仿真研究成为可能。虚拟样机技术是可 6 基于虚拟样机技术的自治水下机器人仿真系统研究 以通过在计算机上建立a u v 的机械系统模型，并进行三维可视化处理，模拟在 现实环境下系统运动学和动力学特性，并根据仿真结果柬优化模型。通过联合 一些专业的虚拟样机软件( 如a d a m s ) 和专业的控制算法仿真软件( 如 m a t l a b ) ，可以有效的进行模拟真实环境的a u v 运动学控制仿真，为a u v 的 建立和控制算法的建立提供可靠的依据。 1 4 课题来源和主要研究内容 本课题来源于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划，2 0 0 9 a a l 2 2 3 3 0 ) ：“基于 声纳和水下视觉的深海复杂环境下a u v 组合导航系统关键技术”。 本文研究了基于虚拟样机的自治水下机器人仿真系统。论文的组织结构如 下： 第一章介绍了a u v 的国内外发展现状和对a u v 的控制方法以及a u v 的控 制仿真现状。 第二章就本课题所需要的a u v ，进行了a u v 的结构布置与设计以及用 p r o e n g i n e e r 对a u v 进行三维实体建模和结构优化，对重要的零部件在 a n s y s 中进行了有限元分析。并通过联合p r o e n g i n e e r 和a d a m s 初步建立 了a u v 的虚拟样机。 第三章建立了a u v 的空间运动数学表达式。建立了a u v 推进器布置的空 间力矩分配矩阵。通过对a u v 下水试验测得的数掘进行处理，对推进器的推力 性能进行了辨识。 第四章，建立了a d a m s 中a u v 的受力模型，完成了虚拟样机的建立，进 行了a u v 运动性能的仿真。通过联合a d a m s 和m a t l a b s i m u l i n k 建立了基 于虚拟样机的控制仿真系统。并通过a u v 的经典p i d 控制和自适应鲁棒控制， 对本系统进行了验证，以及对该两种控制算法对a u v 控制的结果进行了分析。 7 堆十虚拟样机技术的自治水下机器人仿真系统 究 2a u v 的虚拟样机建模 2 1a u v 虚拟样机建模方法 2 1 1 虚拟样机技术简介 虚拟样机( v i r t u a lp r o t o t y p e ) 的概念是构造一个数字化样机模型，用来部分 的甚至完全的取代物理样机，以便使我们在物理样机出来之前可以对我们要研 制的机械系统的性能有一个预先的了解，从而节省产品开发的时间和成本，虚 拟样机作为2 1 世纪的新型先进设计制造方法，正成为各国研究的热点【4 引。 虚拟样机技术( v i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y ) 是一种基于计算机仿真模型的数 字化设计方法，是伴随着计算机技术发展而发展起来的一项新型的计算机辅助 工程技术( c a e ) 。它是多学科的一种融合，主要是以机械系统的运动学、动力 学和控制理论为核心，并结合成熟的三维计算机图形技术和基于图形的用户界 面技术，模拟该机械系统在真实环境下的运动学和动力学特性，并通过仿真分 析，输出结果，通过对机械系统的不断优化，寻求最优设计方案【4 9 l 。它将分散 的零部件设计( c a d 技术) 和分析技术( f e a 有限元分析) 融合在一起，通过 计算机制造出产品的整体模型，通过产品在未来使用中的各种工况条件进行计 算机仿真，通过仿真来预测产品的整体性能，进而改进和优化产品的设计提高 产品的性能。它通过设计中的反馈信息不断地指导设计，保证产品寻优开发过 程的顺利进行。在机械工程中它又被称为机械系统的动态仿真技术。 虚拟样机技术主要作业流程为：工程师在计算机上建立起机械系统的虚拟样 机模型系统，然后使用相应的计算机软件( 如a n s y s 进行有限元分析，a d a m s 进行动力学分析等) 进行机械系统的静力学、运动学和动力学仿真分析，通过 仿真分析的结果，提前发现设计问题并进行改正和优化样机的设计方案，从而 达到用数字化形式来代替传统的物理样机试验。运用虚拟样机技术，摆脱了传 统的循环设计模式。这样就大大的简化了产品设计开发的过程，大幅度的缩短 了产品开发的周期，降低了产品丌发费用的成本。不仅如此，而且提高了产品 的质量和产品的系统性能，从而得到优化和创新的产品。传统产品开发流程如 图2 1 ；基于虚拟样机技术产品丌发的流程如图2 2 。 8 基于虚拟样机技术的自治水下机器人仿真系统研究 图2 1 传统的产品开发的流程 详细 = = 玲 虚拟样 = = = 产品定概念 _ - _ _ - 一 设计机测试型生产设计 图2 2 基丁二虚拟样机技术产品开发的流稃 2 1 2a d a m s 概述 5 0 - 5 1 】 本研究采用机械系统分析软件a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so f m e c h a n i c a ls y s t e m ) 。该软件是由美国m s c 公司开发。a d a m s 是世界上应用 最广泛最为权威的机械系统动力学仿真软件，目前已经广泛应用于各个领域， 包括汽车制造业、工程机械、航天航空业、国防工业及通用机械制造业等领域， 并取得了满意的效果。 a d a m s 软件的特点是使用交互式图形环境和零件库、约束库以及力库，可 以创建完全参数化的机械系统模型，它的求解器采用多刚体系统动力学中的拉 格朗日方程方法，通过自动建立起系统动力学方程，对虚拟的机械系统进行静 力学、运动学和动力学分析，并根据需要输出位移、速度、加速度和反作用力 等曲线。通过a d a m s 软件的机械系统仿真可用于预测机械系统的性能、峰值 载荷、运动范围、碰撞检测和计算有限元的输入载荷等，用户用a d a m s 软件 可以搭建和测试虚拟样机，从而实现在计算机上仿真分析复杂机械系统运动性 能和动力性能并输出我们需要的数据曲线用来分析并改进设计。该软件的最大 优点是通过它建立的虚拟模型能很好地反映实际的物理模型，而其仿真的结果 也能很好的与实际物理模型的结果相吻合。其工作过程如图2 3 。 9 基十虚拟样机技术的臼治水下机器人仿真系统研究 - 三维实体的导入 - 自身几何建梗 机械系统建模- 添加运动副 - 施加载磕 l - 设置测量 仿真分析 - 仿真输出 l - 回放仿真结果 仿真结果分析 - 生成仿真结果曲线 l - 输入实验数据 仿真结果验证- 添加实验数据曲线 - 增加摩擦，改进载荷 精化系统模型 函数 - 定义柔性体连接等 重复仿真分析- 定义设计变量i l - 主要设计因素研究 系统优化分析 - 实验设计研究 - 最优化研究 图2 3 a d a m s 工作过程 a d a m s 软件针对不同行业的需要提供了相应的专业模块以满足行业设计人 员的不同要求，本课题主要用到以下三个通用模块和两个端口软件，介绍如下： a d a m s v i e w ( 用户界面模块) ：是以用户为中心的交互式图形环境，用户可 以像建立物理样机一样建立任何系统的虚拟样机，a d a m s v i e w 将简单的菜单、 按钮、鼠标点取操作与交互式图形建模、计算仿真和动画显示等功能完美的融 合在一起。它使用p a r a s o l i d 格式作为实体建模的内核，给用户提供了丰富的零 件几何图形库，并支持布尔运算。同时模块还提供了完整的约束库、力和力矩， 使得建模快速。a d a m s v i e w 支持参数化建模，以便能很容易的修改模型用于 实验研究。用户在仿真过程中或者仿真结束以后，都可以观察主要数据变化和 模型的运动。这些就像做实际的物理实验一样。 a d a m s s o l v e r ( 求解器) ：是a d a m s 软件的仿真“发动机”，是a d a m s 的 核心模块。它是一个自动建立并解算用于机械系统运动仿真方程的快速的稳定 1 0 皋于虚拟样机技术的自治水下机器人仿真系统研究 的数值分析工具。a d a m s s o l v e r 提供一种用于解算复杂机械系统复杂运动的数 值方法，可以对以机械系统和控制系统组成的多领域问题进行分析，并提供多 种积分方法以有效的进行方程解算。a d a m s s o l v e r 可用户化，方便使用用户子 程序建立特定的用户模型。a d a m s s o l v e r 有各种建模和求解项，以便精确有效 地解决各种工程问题。 a d a m s p o s t p r o c e s s o r ( 后处理模块) ：是主要显示a d a m s 仿真结果的可视 化图形界面。当系统仿真完成以后，a d a m s p o s t p r o c e s s o r 提供了一个统一化的 界面。以不同方式回放仿真的结果。其中既可以输出数据曲线的形式，也可以 输出数据表格的形式或者输出动画的形式来显示后处理的结果。而且可以同时 显示多次仿真的结果，以便于进行比较。 a d a m s c o n t r o l s ( 控制接口模块) ：作为与控制系统软件的接口，用户可以 将基于三维几何外形的a d a m s 完整系统模型，方便的放到所使用的控制系统 设计软件中( 如m a t l a b ) 所定义的框图中。机械系统不仅包括各部件的质量 特性，而且还可以考虑摩擦、碰撞、重力和其他影响因素。系统仿真中，可采 用两种工作模式：其一，机械系统采用a d a m s 的解算器，控制系统则采用控 制软件的解算器，两者之间通过状态方程进行关联；其二，利用控制软件书写 描述控制系统框图，然后将控制框图输入到a d a m s 中，采用a d a m s 解算器 进行包括控制系统在内的复杂的机械系统虚拟样机的同步仿真计算。 a d a m s c o n t r o l s 提供的工具可以将m a t l a b 输出的c 语言程序代码输入到 a d a m s 中去，这样就可以方便的在a d a m s 统一环境中进行仿真。由于充分考 虑了控制系统行为，a d a m s c o n t r o l s 和控制软件联合求解的所得的结果是真实 而准确的。 m e c h a n i s m p r 0 ( 与p r o e n g i n e e r 模型接口) ：是连接p r o e n g i n e e r 与a d a m s 之间的桥梁，二者采用无缝连接方式，不需要退出p r o e n g i n e e 应 用环境，就可以将装配的总成根据运动关系定义为机构系统，进行系统的运动 学仿真，并进行干涉检查、确定运动锁定的位置，计算运动副的作用力等。该 模块采用p r o e n g i n e e 的界面环境。 皋十虚拟样机技术的自治水下机器人仿真系统哪究 2 1 3 基于a d a m s 与p r o e n g i n e e r 联合建立虚拟样机模型 尽管a d a m s 也拥有各种方便的建模工具，但是与专业的c a d 软件相比较，