（机械电子工程专业论文）超小型水下机器人沉浮系统设计及其控制研究.pdf

j 二海人学硕上学位论文 摘要 摘要 根据当前水下机器人研究现状、发展趋势以及我国国情，开发适应复杂环境 和恶劣条件下作业的特种水下机器人，将是我国发展机器人技术的一个主要方向 和内容。随着水下机器入应用领域的不断拓宽，已出现了这样一种需求，即用水 下机器人代替人工进行各种水下危险作业，如对近海石油钻井平台水下结构物、 防洪大堤、水库大坝、河道船闸、港口设施、近海石油管道、大陆架海底或湖底 通讯电缆等的日常检修工作。为此，我们设计一种超小型潜水器。论文主要讨论 活塞式沉浮运动系统结构设计及其建模仿真。 首先，本文就这种超小型潜水器的总体方案进行了可行性论证，分模块讨论 了各主要部件的功能及实现方法。针对水下机器入常用传感定位设备进行了介 绍，讨论了传感器的原理、组成。 其次，本文详细给出了水下机器人的空间运动标准数学模型、仿真模型。讨 论了水动力的特性，以及其对潜器水下运动的阻力影响。在此基础上，考虑实际 应用情况，对其作进一步合理简化，得到了便于分析沉浮运动的设计模型，为控 制器的设计奠定了基础。 接着，本文综合空气压缩式沉浮系统与螺旋桨式沉浮系统的优点，并且结合 潜水器体积小、能耗低的特征，设计出一种活塞式沉浮系统。它能使潜水器受力 均匀，能在沉浮时保持良好的稳定性。 然后，本文利用前面章节建模的结果，建立了沉浮系统的控制模型。并针对 系统特性，讨论了数字p i d 控制器及其参数整定方法。经m a t l a b 仿真，实验 结果表明，深度控制能够满足要求。 最后，本文给出了基于a v r m e g a l 6 单片机的详细硬件和软件设计流程，对 主要功能模块进行了阐述，并结合实验对系统调试进行了分析。 关镬! 词：超小型水下机器人；沉浮系统：数字p i d ：m e g a l 6 圭塑查堂堡主兰焦堡壅 垒! ! ! 篓 a b s t r a c t a c c o r d i n gt oc u r r e n tr e s e a r c hm e n do fu u v s ( u n m a n n e du n d e r w a t e rv e h i c l e s ) d e v e l o p m e n ta n dn a t i o n a lc o n d i t i o n so fo u rc o u n t r y ，s p e c i a l s u b m i n iu n d e r w a t e r v e h i c l em e e t i n gt h en e e d so fc o m p l i c a t e de n v i r o n m e n t sa n da b o m i n a b l ec o n d i t i o n w i l lb eam a i nd i r e c t i o ni nc h i n a w i t ht h ew i d e n i n gu s a g e so fu uv ，m o r ea n dm o r e r e q u i r e m e n t sf o c u so nd a i l yi n s p e c t i n ga n dr e p a i r i n gf o rw e l ld r i l l i n gp l a t f o r m ，d a m s ， s h i pl o c k ，p o r ti n s t a l l a t i o n s ，p e t r o lp i p ea n dm a r i n ec a b l e ，s oa st oc a r r yo nv a r i o u s k i n d so fd a n g e r o u st a s k si n s t e a do fh u m a n f o rt h e s er e a s o n s ，w ed e s i g nas u b m i n i u n d e r w a t e rv e h i c l e d e t a i l e dd e s c r i p t i o no fm o d e l i n ga n ds i m u l a t i n go ft h i s p i s t o n t y p er i s e a n d f a l ls y s t e mw i l lb em a i nc o n t e n ti nt h i st h e s i s f i r s to fa l l ，t h ea u t h o rc a r r i e do nf e a s i b l ed e m o n s t r a t i o no nt h eo v e r a l ls c h e m eo f t h i sk i n do fs u b m i n iu n d e r w a t e rv e h i c l e ，t h ef u n c t i o no fc o r r e l a t i v em o d u l ea n dm a i n p a r t si m p l e m e n t a t i o nm e t h o d i n t r o d u c t i o nt ot h eg e n e r a ls e n s o r so fu u v t o g e t h e r w i t ht h ep r i n c i p l e ，c o n s t r u c t i o no f t h es e n s o r sw a sa l s od i s c u s s e d s e c o n d l y , t h i st h e s i sp r o v i d e ss t a n d a r dm a t h e m a t i c sm o d e l so fs p a c em o v e m e n t a n ds i m u l a t i n gm o d e l so ft h es u b m i n is u b m a r i n ei nd e t a i l h a v i n gd i s c u s s e dt h e c h a r a c t e r i s t i co fw a t e rm o t i v ef o r c ea n di t s i n f l u e n c e so nm o v e m e n t ，t h ea u t h o r s i m p l i f i e dt h es i m u l a t i n gm o d u l er e a s o n a b l ya n dg o te a s y - t o a n a l y z ed e s i g nm o d e lo f u n d e r w a t e rr o b o t ，w h i c he s t a b l i s h e st h ef o u n d a t i o nf o rt h ed e s i g no ft h ec o n t r o l l e r t h e n ，c o m p a r i n gt h ea d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e so fa i r - c o m p r e s s e d t y p e r i s e - a n d f a l ls y s t e ma n ds c r e w - p r o p e l l e r - t y p eo n e ，t h ea u t h o rd e s i g n e dak i n do f p i s t o n - - t y p er i s e - a n d - f a l ls y s t e mc o n s i d e r i n go ft h ec h a r a c t e ro fs m a l ls i z ea n dl o w p o w e rc o n s u m p t i o n i tc a nm a k et h es u b - m i n is u b m a r i n er e c e i v es t r e n g t he v e n l ya n d c a nk e e pg o o ds t a b i l i t yw h i l er i s i n ga n df a l l i n g b a s e do nt h em o d e l i n gr e s u l t si nt h ef r o n t ，t h ea u t h o rb u i l tu pc o n t r o lm o d u l ea n d d i s c u s s e dt h ed i g i t a lp i dc o n t r o l l e rw i t hi t s a a j u s t i n gm e t h o d s i m u l a t e dt h r o u g h m a t l a b ，t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e p t hc o n t r o lc a nm e e tt h ee x p e c t e d r e q u i r e m e n t s f i n a l l y , w ed e m o n s t r a t e dt h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r eb a s e do na v r m e g a l 6m c u k e y w o r d s ：s u b m i n iu n d e r w a t e rv e h i c l e ，r i s e - a n d f a l ls y s t e m ，d i g i t a lp i d ，m e g a l 6 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 期：上以3 、孑 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 伴随着人类认识海洋、开发海洋、利用海洋资源和保护海洋资源的进程，水 下机器人的研究和发展日趋活跃。同时，随着对资源的日益需求和科学技术水平 的不断提高，人类已把海洋作为生存和发展的新领域，海洋的开发与利用已经成 为决定一个国家兴衰的基本因素之一，这些都使得使水下机器人具有更加广阔的 应用前景。水下机器人设计是一项综合性的复杂工程，技术密集度高，是公认的 高科技，它的研制水平体现了一个国家的综合技术力量。2 1 世纪将是水下机器人 广泛应用的世纠”。 在海洋工程界，水下机器人通常称为潜水器( u n d e r w a t e r v e h i c l e s ) 。本文从 控制技术的角度把水下机器人分成三大类 图l 一1 水下机器人的分类 1 2 水下机器人现状及其发展趋势 2 0 世纪后半期是水下机器人诞生、发展和走向应用的时期，近十多年来各 类水下机器人技术均有长足的进步。 r o v 能通过电缆不断地得到能源，因此能源不是其制约因素，同时，人亦 能通过电缆对r o v 进行遥控。人的介入方面使许多复杂的控制技术得到了简 化，另方面也增强了r o v 的功能，因而r o v 不仅能用于观察，也能用于作 业。这一特点是r o v 能在不到半个世纪的时间里从诞生走向产业化的根本原因。 a u v 没有脐带电缆，一方面在人和机器人之间的信息交换受到了限制，因 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 而a u v 的能力在很大长度上取决于其本身的自治能力。另一方面，a u v 的能源 必须由其自身携带，因而低成本、高效率、大能量、高比能的新能源的开发是另 一个发展的关键因素。从国际上的各类水下机器人发展动向来看，a u v 是世界 各国研究和发展的热点，仅美国就有2 0 多所大学、研究机构和公司在从事a u v 的研究与开发工作。就水下机器人而言，2 1 世纪将是a u v 的世纪。 现阶段水下机器人的发展趋势体现在以下几个方面【2 工4 】： ( 1 ) a u v 代表了未来水下机器人研究的方向 事实上，a u v 是一种非常适合于海底搜索、调查、识别和打捞作业的既经 济又安全的工具。在军事上，a u v 亦是一种有效的水中兵器。与载人潜水器相 比较，它具有安全( 无人) 、结构简单、重量轻、尺寸小、造价低等优点。而与 r o v 相比，它具有活动范围大、潜水深度深、不怕电缆缠绕、可进入复杂结构 中、不需要庞大水面支持、占用甲板面积小和成本低等优点。a u v 代表了未来 水下机器人技术的发展方向，是当前世界各国研究工作的热点。 现阶段的a u v 只能用于观察和测量，没有作业能力，而且智能水平也不高。 将来的a u v 将引入人的智能，更多地依赖传感器和人的智能。还要在a u v 上 安装水下机械手，使a u v 具有作业能力，这是一个长远的目标。 ( 2 ) r o v 广泛应用于水下作业中 从1 9 5 3 年世界上出现第一艘遥控潜水器，在短短五十年的时间里，r o v 从 诞生走向实用化。这主要是由于r o v 具有以下特点： 通过与水面相联的电缆提供能源，作业时间不受能源的限制： 操作者直接在水面控制和操作r o v ，人的介入使得许多复杂的控制问题变得简单： 可以用于水下作业，这一点是现阶段a u v 无法迭到的q l - a or o v 与载人潜器可 咀协同作业，完成对各种失事飞机、潜艇等的打捞任务 1 3 水下机器人研究实例 l 、美国s a h r v 图1 2s a h r v 半自主水文侦察潜水器 美国伍兹霍尔海洋研究所研制的“半自治水文侦察潜水器s a h r v ”，供海军 特种作战部队使用，以代替潜水员的某些工作。它在空气中的质量为3 6 5 k g ，尺 寸1 6 m q ) 0 1 9 m 。它携带的传感器可搜集3 1 5 0 m 水深中的声纳，深度及环境 数据，特别是3 6 0 m 水深中的目标。它用侧视声纳识别障碍物，以海图提供数 2 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 据，将其传输给该区域布置的指挥部。 2 、挪威水雷狙击手 水雷狙击手是由康斯贝格军火公司开发的一种一次性遥控无人潜艇，它通过 有线制导来接近系留水雷或沉底水雷，利用弹头直接进行爆破。 水雷狙击手形如鱼雷，全长1 5 m ，直径2 0 c m ，重量根据搭载的弹头而有所 不同，但是一般都在2 6 5 3 0 k g 之间。水中航行体在大致中央部分的两翼各装有 一个推进器，在水中的最大航速可达6 节，但是使用时的航速一般为2 至4 节， 最大下潜深度为5 0 0 m ，可在距离母舰4 0 0 0 m 的范围内活动。 图1 3 水雷狙击手 针对目标进行的制导是根据水雷狙击手的声纳或光学摄像机提供的情报，从 母舰上通过手动来进行的。对目标水雷进行爆破的弹头分为空心装药式和半穿甲 式两种。 3 、法国l i r m m m 开发的t a i p a n t a i p a n 体积小，尺寸为1 6 6 m x h 0 0 1 5 m ；重量轻，仅2 5 k g ，且造价非常低。 它由法国的另一种外形类似鱼雷的c a l a s 的自治潜水器改变而来，特别适用于 非常浅的水域工作。具有单一的推进器、一个方向舵、一个船尾沉浮控制舵和一 个前部沉浮控制舵，能以2 节的速度下沉。t a i p a n 所要完成的任务是通过预编 程输入到机载计算机中的。 图1 - 4 t a i p a n 自主潜水器 4 、加拿大i n u k t u n 的v i d e o r a yp r o 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 v i d e o r a yp r o 被开发用于检测海上石油平台水下结构物，它带有摄像头和超 声波检测装置，通过同轴电缆实现能源供给和遥操作。顶部装有异频雷达接收发 送机，用于精确导航和定位，即使在能见度极低的情况下，也可以做到。 图1 - 5v i d e o r a yp r o 5 、国内水下机器人研究实例 国内，如中科院沈阳自动化所，哈尔滨工程大学，上海交大等也在水下机器 人方面做了许多研究。 哈尔滨工程大学水声研究所研制的“堤坝安全检测水下机器人”，可用于对 水库堤坝、各种水利、水电、江河及海港堤坝等质量和安全进行检测。这种水下 综合探测机器人应用范围较广，除可对水库堤坝、海岸护岸堤、江河大坝进行质 量和安全性检测之外，还可以应用在对码头、桥墩等被撞后的受损程度进行探测 评估，对水下沉船、沉物、飞机残骸等进行搜索和探测定位，对水下输油和输气 管线的泄漏和破损点进行查找和定位等多个方面。 中科院沈阳自动化研究所研制的水面救助机器人，不仅可以在恶劣海况下带 缆、送递救生圈、紧急救助和传送重要物资，还可以拓宽到其它应用领域，如： 大规模露天海水浴场的紧急救助，港口码头、航道的定期隐蔽性监视；近距离水 面传送重要信息；甚至可以进行水下反恐侦察，近距离销毁水面危险物、阻塞航 道的沉船以及废弃的海上结构物等。 1 4 课题来源及其研究意义 研究对象为超小型浅水水下机器人，该项目受上海市科技发展基金项目 ( n o 0 0 1 4 1 1 0 9 9 ) 和上海市重点学科基金资助。研究目的是：设计服务于浅水区 域安全监测等的超小型潜水器及其航行控制系统。 分析国内小型潜水器研究现状，可知其技术较为成熟，但大多数尺寸较大， 重量重，造价昂贵，作业水域较深。而微型仿生机器人，抗干扰能力差，有效载 荷小，作业能力有限。所以，研究超小型浅水潜水器，就有较为广泛的市场前景 和社会意义。 水下机器人的沉浮运动常采用螺旋桨作动力，然而，超小型水下机器人的特 点是能耗小，运行平稳。为此，我们提出以类似潜艇沉浮的活塞式沉浮方案。采 圭塑查芏翌! ：兰竺丝兰兰生! ! 堡 v i d e o r a yp r o 被开发用于检测海上石油平台水下结构物，它带有摄像头和超 声波检测装置，通过同轴电缆实现能源供给和遥操作。顶部装有异频雷达接收发 送机，用于精确导航和定位，即使在能见度极低的情况下，也可以做到。 图1 - 5v i d e o r a yp r o 5 、国内水下机器人研究实例 国内，如中科院沈阳自动化所，哈尔滨工程大学，上海交大等也在水下机器 人方面做了许多研究。 哈尔滨工程大学水声研究所研制的“堤坝安全检测水下机器人”，可用于对 水库堤坝、各种水利、水电、江河及海港堤坝等质量和安全进行检测。这种水下 综合探测机器人应用范围较广，除可对水库堤坝、海岸护岸堤、江河大坝进行质 量和安全性检测之外，还可以应用在对码头、桥墩等被撞后的受损程度进行探测 评估，对水下沉船、沉物、飞机残骸等进行搜索和探测定位，对水下输油和输气 管线的泄漏和破损点进行查找和定位等多个方面。 中科院沈阳自动化研究所研制的水面救助机器人不仅可咀在恶劣海况下带 缆、送递救生圈、紧急救助和传送重要物资，还可以拓宽到其它应用领域，如： 大规模露天海水浴场的紧急救助，港口码头、航道的定期隐蔽性监视；近距离水 面传送重要信息；甚至可以进行水下反恐侦察，近距离销毁水面危险物、阻塞航 道的沉船以及废弃的海上结构物等。 1 4 课题来源及其研究意义 研究列象为超小型浅水水下机器人，该项目受上海市科技发展基金项目 ( n o0 0 1 4 1 1 0 9 9 ) 和上海市重点学科基金资助。研究目的是：设计服务于浅水区 域安全监测等的超小型潜水器及其航行控制系统。 分析国内小型潜水器研究现状，可知其技术较为成熟，但大多数尺寸较大， 重量重，造价昂贵，作业水域较深。而微型仿生机器人，抗干扰能力差，有效载 荷小，作业能力有限。所以，研究超小型浅水潜水器，就有较为广泛的市场前景 和社会意义。 水下机器人的沉浮运动常采用螺旋浆作动力，然而，超小型水下机器人的特 点是能耗小，运行平稳。为此，我们提出以类似潜艇沉浮的活塞式沉浮方案。采 点是能耗小，运行平稳。为此，我们提出以类似潜艇沉浮的活塞式沉浮方案。采 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 用流线型设计以减小运行水阻力。 1 、社会意义 防灾救援直接涉及到国民经济建设和人民生命财产安全，历来得到我国政府 的一贯重视和支持，特别是“9 1 1 ”以后，人们意识到建立新的防灾体系刻不容缓， 尤其要研制各类低成本、高效能的防灾、防暴特种机器人；对中国，2 0 0 8 年奥 运会在北京举行，2 0 1 0 年世博会将在上海举办，这类浅水探测用潜水器将给侦 察监测、防暴、排暴和跟踪搜索带来便利，其社会意义不言而喻。 此外，随着经济发展，特别是对江河湖海水资源的开发利用，大中型水电站、 大坝的修建，以及近海资源探测、利用，对能够在浅水域穿行作业的高可靠性、 低价位的超小型潜水器的需求不断增加。加之，它能够在狭窄、水质有污染、有 一定危险的浅水环境中作业，使它在水库大坝、防洪大堤、港口岸边、水域、河 道、水闸等的经常性监测中有着广泛的应用前景。 为此，研制一种超小型水下机器人( s u b m i n iu n d e r w a t e rv e h i c l e ) ，根据具体 的要求，特征尺寸在o 4 1 5 m ，比微型仿生机器人( 尺寸在3 0 c m 以下) 大， t e d , 型无人潜水器小，十几千克以下的水下机器人是非常必要的。超小型水下机 器人可进行浅水( 小于4 0 r e ) 巡航观察、狭窄区域安全监测、侦察、搜索等。这 种机器人在国内研究还处于起步阶段，与国外相比技术上还存在较大差距。 2 、学术意义 项目研究超小型浅水潜水器稳定性控制方法。设计一种有沉浮升降功能的超 小型潜水器，通过对其结构、水动力特性和动力学模型的相关分析，逐步建立稳 定精确的控制系统。从学术意义上说，该类水下机器人的研究，将为开展超小型 浅水潜水器水动力学模型研究、沉浮运动控制等一系列关键技术研究提供必要的 理论和实践基础。 1 5 论文主要研究内容 本文的研究对象为用于浅水作业的超小型水下机器人，针对其体积小，能耗 需求低，稳定性高，机动灵活性好等特点，在查阅了大量国内外资料，结合应用 实例，从创新的角度提出了一种活塞式沉浮系统方案。本文研究的主要内容为： 超小型水下机器人总体方案设计： 水下机器人常用传感器原理、组成及应用介绍： 超小型浅水水下机器人的运动学和动力学分析，建立其空间运动方程； 活塞式沉浮系统的结构设计： 水下沉浮定住控制系统的软硬件设计、控制策略的研究及仿真： 系统调试与分析，全文总结展望。 l ：海人学硕士学位论文 第二章水下机器人总体方粜规划 第二章水下机器人总体方案规划 2 1 引言 设计水下机器人是在明确工作目的与要求的条件下，首先有一个概念设计， 绘制草图和拟定总布置图与内部结构图，而后进一步计算水下机器人的重量、排 水量、浮心与稳心、壳体与保护层的强度、运动阻力的估算，求出所需推进功率、 航速等。再根据这些草图和计算，使所有性能与结构逐步地详细化，最终完成图 纸和有关设计文件，投入建造。在模型设计建造后加入控制电路以及导航系统， 实现其平稳运动和控制h ”。 表2 - i 水下机器人总体方案 潜水深度标准深度3 0 m ( 极限4 0 m ) 水平速度 0 o 4 m s 垂直速度 0 1 3 l m s 艇身尺寸0 2 0 0 m m x 5 3 0 m m 浮筒尺寸 ol6 0 m m x 4 3 0 m m 艇身材料5 a 0 3 防锈铝或p v c 非金属材料 艇重 约2 0 虹 排水体积 0 0 2 3 m 工作温度 o 4 0 工作电压2 4 v d c 运行方式艇身尾部一对螺旋桨推进器；活塞式升降浮筒一只 摄像头 网眼p c 3 5 0 b ；调焦：6 m m 至极远；视野：5 0 r a m 到极远 照明2 x 2 0 w 卤素灯，光强可调 传感器深度计、声纳传感器、角速度陀螺、多普勒速度计 控制系统 基于a v r 的数字控制 2 2 具体方案实现 潜水器的整体可以分为以下几大部分：艇身、升降装置以及推进装置、控制 电路、摄像仪器及照明设备。它们是潜水器最主要的组成部分。在下面的论述中 将就其组成原理、材料选取以及可行性分析作必要的说明。 2 2 1 艇身 1 、结构设计 上海大学硕士学位论文 第二章水下机器人总体方案规划 艇身又称耐压壳体，是潜水器浮力的主要提供者，而它的重量也占潜水器总 重量的很大的比例，所以耐压壳体结构形式的选择直接影响到潜水器的有效载 荷。 考虑到流体运动的阻力和重量与排水量的比例等因素，潜水器耐压壳体的形 状大致有如下几种：球形、椭圆形和圆筒形。其各自的优缺点如下表： 表2 - 2 耐压壳体外形比较 壳体形状 优点缺点 v ，具有最佳的重量排水量比不便于内部布置 球形 v ，容易进行应力分析且较正确流体运动阻力大 具有较好的重量排水量比制造费用高 椭圆形能较有效地利用内部空间 容易安装壳体贯穿件 最容易加工制造内部一般需要用 圆筒形内部空间利用率最高肋骨加强 流体运动阻力小 由于在艇身中需要放置摄像仪器、传感器、电路板、推进器及其传动装置等 设备，而圆筒形耐压壳体又易于加工制造，内部空间利用率高，流体运动阻力小 等优点。综合考虑，艇身方案选取圆筒形，前端与钢化玻璃的前视窗相联接，后 端面为平面连接，安装两只螺旋桨推进器；一方面，两只推进器，可做推进使用， 另一方面，两推进器作差动时，可以实现水平面内的转弯。 2 、材料选取及其可行性分析1 6 ，砌 表2 - 35 a 0 3 的化学成分及力学参数 铝合金 主要合金成分( )杂质成分( ) 代号 m g m nt i f es ic uz n 3 2 3 80 3 0 6o 1 5o 5 0o 5 0 8o1 00 2 0 弹性模量n m m 2 拉伸极限n l m m 2 泊松比 5 a 0 3 7 l o l 5 9 3 1 1 0 3 2o 3 其余材料a i ，材料密度：2 6 7 1 0 3 l l e , m 3 。( 根据g b 3 1 9 0 8 2 国家标准) 耐压壳体，材料有金属和非金属两类。为了保证所设计的潜水器在限定的作 业环境下具有良好的性能。对于耐压壳体，材料的选取，需考虑到以下各因素： 强度，刚度、密度、可焊性、易加工性、耐腐蚀性等。 耐压壳体常选用防锈铝台金管材，代号5 a 0 3 ( 旧牌号l f 3 ) 。其特点是：比 ：海大学硕士学位论文 第二章水下机器人总体方案规划 强度高、退火状态下塑性好，焊接性好。冷作硬化时切削加工性良好、疲劳强度 高。具体参数见表2 3 。 但是5 a 0 3 的切削加工性差，在海水中易电解腐蚀。考虑到实际情况，我们 在试验时选用了高强度的p v c 管，其光洁度好，抗腐蚀。 潜水器的标准工作深度是3 0 m ，但考虑到特殊情况下作业，对耐压壳体进行 4 0 m 水深的强度校核。 2 2 2 动力系统 水下机器人大多采用螺旋桨作推进器，8 0 以上使用电机推进器，其余使用 油马达推进器。 水下机器人水下运动包括三个平移运动：推进、沉浮、横移；三个旋转运动： 转艏、纵倾、横倾。 推进器的数量和布置通常有阳l ； 推进器的数量等于( 或多于) 广义坐标数，在这种情况下，每对推进器 按两个广义坐标( 直动和回转) 移动机器人。这种方法不是解决问题的 最佳方法。 采用推力器的空间交叉、环形、锥形等布置方式，利用矢量合成的方法， 只使用三四个推进器就能控制其6 自由度运动。其结构也比较简单，但 控制系统相对复杂些。 o t l 0 l _ _ - - o 一 一 - - - _ - t 2 1f y 图2 - 1 推力器沿坐标轴向布置 ， 厶! ob b 一 叉_ ，、f ? j，x 又 2 7 一 办l 1 y 图2 - 2 推力器交叉布置 上海夫学硕士学位论文 第二章水下机器人总体方案规划 图2 3 推力器锥形布置 显然，具体方法的选择决定于水下机器人的具体条件和结构特性。有时，水 下机器人的使用目的不同，不一定要作6 自由度运动 2 3 。据初步归纳，水下机 器人具有的动力运动概率为： 表2 - 4 水下机器人各自由度运动概率 l 推进沉浮 横移转艏纵倾横倾 1 0 0 9 6 3 1 1 0 0 7 3 3 2 2 2 1 推进装置 1 、推进方案选取 中小型水下机器人大多用电动机直接连接螺旋桨。可以用直流电机、交流电 机。直流电机成本低，调速、控制系统简单【2 6 】，而交流电机需要逆变器，成本 高，系统复杂。尤其以电池组作动力源的水下机器人，都采用直流电机。 水下机器人用的电机需要密封。密封主要有两种形式，一种是机械密封，另 一种是采用磁耦合器。 螺旋桨 方案一 方案二 图2 - 4 电机密封两种方案比较 9 上海犬学颁士学位论文 第二章水下机器人总体方案规划 选用的电动机应具备密封性。密封性一方面是为了防止电动机因渗水而停止 转动，严重者甚至会发生漏电现象，将会产生严重的后果；另一方面可以在很大 程度上简化密封结构，使制造工艺性以及制造成本降低。机械密封相对而言较为 简单，但因密封处，要承受较大的水压力，其特性随摩擦力的增加而变坏。对电 机来说，则表现为电机的空载电流增大，这样的电机用于推力器，会使启动电压 升高，从而加重推力器非线性。为了改善这种情况，可以采用充油电机，由于电 机内部充油，因而耐水压的性能得到极大的改善，而且电机因密封而引起的摩擦 力要小得多，其空载电流的增加也很小，可忽略p j 。 采用磁耦合器就是利用电磁力传递扭矩，这样减速器和螺旋桨之间没有直接 的机械联系。依靠磁场传递扭矩，密封问题很容易解决，只要用非导磁材料将电 机、减速器包围起来就解决了动密封的难题。采用磁耦合器，推力器效率略有下 降，但性能基本上不受影响。 推进装置是潜水器前进和后退的动力。运动时，其振动将直接影响水下摄像 的质量。因此，在能够获得一定前进或后退速度的基础上，优先选用转速较慢而 转矩较大的力矩电机，以防止共振现象的发生。 2 、推进装置的放置 水流经过前视窗直至尾部的分流，将会变得比较稳定，因而选择在水流最稳 定的尾部放置推进装置。这样放置的好处是能够保持潜水器整体在轴向和径向的 平衡，并且能够在一定程度上消除由于水流不稳定而产生的波动；而且能够充分 利用空间，从而使整个潜水器的装置趋于紧凑。 2 2 2 2 沉浮系统 沉浮装置的作用主要是实现水下机器人的垂直面内的运动，即实现水下机器 人的定深。常用螺旋桨实现。但本文设计出种活塞式沉浮系统，通过其内部活 塞的运动，产生体积的变化，使潜水器整体的浮力减少或增加，从而产生下降或 上升的所需的稳定作用力。由于升降装置整体在水中产生的浮力低于自身的重 量，因此把它安装在潜水器的最下部分，使潜水器整体的浮心升高，从而有利于 潜水器在水中能够在竖直方向上更加稳定。 沉浮系统的具体阐述会在后面的章节中给出。 2 3 水下定位测量传感器组成 为了实现水下机器人的安全作业和有效地完成使命，水下机器人需要携带一 些仪器和设备。通过这些设备，我们就可以随时了解水下机器人本身及其作业环 境的信息，指导我们及时作出各种判断和调整。同时，水下机器人的各种运动参 数，如( 角) 速度、( 角) 加速度以及位姿状态，如深度、高度、姿态角等都会 反馈给导航定位控制系统，构成水下航行的自动驾驶。 上海大学硕士学位论文 第二章水下机器人总体方案规划 2 3 1 多普勒速度计 多普勒速度计是基于多普勒效应制成的，测量物体运动速度的传感器。 1 、多普勒效应 2 i 声 b 声速c 一- 图2 5 多普勒效应的解释 多普勒效应是奥地利物理学家多普勒在1 8 4 2 年发现的，它的内容是：当波 源和观察者有相对运动时，观察者接收到的频率和波源发出的频率是不同的。两 者相互接近时收到的频率升高；相互远离时降低。以水中声波为例作如下解释： 假设主动声纳发射频率为f 的声波，声波以速度c 在水中传播。若声纳和潜 艇都不动。则潜艇每秒遇到f 个直达波的波峰，声纳接收机每秒收到f 个潜艇回 波的波峰。 当声纳向着潜艇运动时，情况发生了变化。比如，声纳在a 处发出某一个 波峰，在b 处发出下一个波峰。由于传播距离缩短了，因此后一个波峰到达潜 艇所需要的时间，必定比前一个波峰少一些，也即潜艇前后收到两个直达波波峰 的时间间隔将少于周期t 秒。这样潜艇每秒钟遇到的波峰数将多于f 个，而声纳 接收机收到的回波的波峰数就更多了，因为在回波传播过程中，声纳又前进了。 相反，二者互相远离时，声纳接受到的回波频率必定低于发射波的频率。 2 、多普勒测速原理 图2 - 6 多普勒测速原理 利用多普勒效应测定水下机器人 的航行速度，是通过一个产生超声波振 动的换能器，它发射的三束声波与水平 面成0 角，三束声波按一定方位角布置 在3 6 0 。空间内。当机器人以一定速度 航行时，换能器发射的声波到达水底， 并由水底反射而被换能器接收，此时将 产生多普勒频移，频移公式为： ，：2 f o v c o s o ( 2 - 1 ) c 式中：可多普勒频移。若为正时为前进，则为负时为后退。 声波发射频率。 圭塑查兰堡主兰竺堡壅羔e 望l 查! 塑量尘堂苎互! ! 兰型 v 水下机器人运行速度。 c 声波在水中的传播速度。 口发射波速与水平面的夹角。 测量多普勒平移即可得出三个方向的速度大小和方向，通过空间几何变换即 可求得水下机器人沿x 、y 、z 方向的速度。 2 3 2 深度计 深度计主要是利用压力传感器测量水压的大小，根据压力和水深的线性关 系，测得压力信号即可知道潜水深度。 图2 7 惠斯登电桥及其测量电路 目前广泛使用的是应变片型和扩散型两种半导体压阻式压力传感器。测量电 路采用图2 7 示的惠斯登电桥等效电路： 如图2 7 左图所示，输入采用恒压源e 供电时，输出电压e 。为： 弘杀糕e ：， 采用恒流源，供电时，输出电压为e 。： 耻寿鞲， p 。， 由式( 2 2 ) 、式( 2 3 ) 可知，若满足r ：马= r 。r 。，输出e 为零。 当外界对应变片施加压力后，产生电阻的变化，于是电桥失去平衡。从输出 端就会得到与r ，也就是与输入压力成正比的电信号。 根据式( 2 2 ) ，采用图2 - 7 右所示电路时，可得恒压源供电时，电信号的变化 为： 丝。= 筹e ( 2 - 4 ) 采用恒流源供电时，电信号的变化为： 上海大学硕士学位论文 第二章水下机器人总体方案规划 觚= k i t ，( 2 - 5 ) ” 2 就会得到与输入压力成比例的电信号。当采用恒压源供电时，一般要求电源 稳定度在o 1 以上。否则将严重影响传感器的测量精度。采用恒流源供电时， 可减小温度对桥路输出所带来的非线性影响。精密测量系统中采用恒流源供电要 比采用恒压源供电好。 2 - 3 3 水声定位系统 导航定位系统主要有两类，一类称为自主导航定位系统；它主要依靠艇载的 位置和姿态传感器反应水下机器人的状态信息。另一类称为非自主导航定位系 统，主要是声学定位系统，它需要在海底布设声标或应答器。 声学定位系统包括：( 1 ) 长基线定位系统；( 2 ) 短基线定位系统：( 3 ) 超短 基线定位系统。三者测量精度由高到低，但是长基线定位系统必须花费很长时间 进行基阵间距离的测量。此外，布放和回收应答器也是一件复杂的事，对操作者 的要求比较高。实际应用时，可根据情况进行调整。本文采用短基线定位结合深 度、高度等传感器进行修正。 下面简要介绍三种基线定位系统的定位原理【7 2 l 。 1 、长基线水声定位系统及其定位原理 长基线水声定位导航系统一般是在海底布设三个以上水声应答器，构成一定 的几何形状，各应答器的坐标位置需要预先进行精密测量。 t 3 ( x 3 ， 图2 - 8 长基线水声定位系统 海底布设由三个水听器夏，疋，己组成的接收基阵，其本身坐标位置经测量校 准后为已知。 由装在水下载体上的应答器测得目标到各个水听器的斜距值( 1 , 2 ，3 ) ，得 出以三个水听器坐标位置为中心的三个球面，其交点即为目标位置。用解析法求 目标位置t ( x ，y ，z ) 。 上海大学硕士学位论文 第二章水下机器人总体方案规划 可得求解方程： ，2 = 2 一d ，2 + 2 ( x x + y ，j ，+ z 。z ) ( f = 1 , 2 ，3 )( 2 6 ) 利用，= 扳了歹丽消去r ，则三个方程可求三个未知数。 2 、短基线水声定位系统及其定位原理 日l d 1 2 日2 图2 - 9 短基线水声定位系统 短基线基阵布置如图所示，换能器t 在船底置于三个水听器中间。当水面 母船由t 向目标上的应答器发出询问信号时，三个水听器就能各自接收来自应 答器的相应信号，时间差出。短基线水听器之间的距离以1 0 2 0 米为宜。 设换能器r 与被测目标的距离为r ，目标相对r 的水平位置为( x ，y ) ，则有： 咖肚m 等一心一糟鲁 p ， 其中r 为水中声速；a t 。：、a t 2 ，为对应的接收信号间的延迟。所以，只要测 得“、，：，、r 即可求得目标位置( x ，y ) 。而，可由，= i 1 导( ，+ f ：+ 屯) 近似求得。 3 、超短基线水声定位系统及其定位原理 圭塑查兰堡主兰堡垒塞 墨三童查! 墨堡尘堂壁妻室! ! 型 图2 1 0 超短基线水声定位系统 超短基线水声定位系统的工作原理类似于短基线。不过它的基阵是由三个水 听器安装在一个几厘米的机座上构成。由于基线长度很短，所以是通过测量两个 水听器之间的相位差，而不是测量时间差。 其求解方程为： 加 h 丽如 y 2 丽庐：， 要 i 加 罢 ( 2 - 8 ) 其中，为基阵至目标距离，可由声信号在水中的传播时间求得。妒：，、妒：，分 别为两个水听器接收到信号与参考基元的相位差。 2 4 本章小结 水下机器人涉及运动学与动力学理论、机械设计与制造技术、计算机硬件与 软件技术、控制理论、电动伺服随动技术、传感器技术、人工智能理论等科学技 术。由于水下机器人的多样性，目前还没有完善的设计准则。本章首先从整体布 局出发，提出可行方案，然后逐个细化各功能部件的具体实施。对其外型结构、 材料、密封、布局，元器件选取进行了可行性分析和方案比较。 针对水下机器人进行水下作业时常用的传感定位设备进行了介绍，讨论了传 感器的原理、组成。这对于正确选用合适的水下传感器有必要的指导作用。由于 传感器是影响运动控制最至关重要的因素，所以使用前需详细了解其性能参数， 然后仔细选择并作校正。 上海大学硕士学位论文 第三章水下机器人运动学分析 第三章水下机器人运动学分析 3 1 引言 水下机器人的水下载体，在水下运动时会受到各种力和力矩的作用，研究水 下机器人在这些力和力矩作用下的运动规律，从而建立起水下机器人的数学模 型，是研究和设计水下机器人控制系统的基础。本章主要研究载体在合外力和合 外力矩作用下，6 自由度空间运动规律。这里假定水下机器人为刚体且质量和体 积不变，不考虑水的温度、压力和其它因素的变化而造成的体积和浮力的变化。 3 2 坐标系及坐标变换 l 、地球坐标系b 一驹 进行水下机器人运动学分析时，首先需要确定一个惯性参考坐标系，本文以 地球坐标系( e 铀) 作为惯性参考系。地球坐标系有时也称作静坐标系。其 原点e 可以选取水面任一点，本文以每次作业起始点为原点。规定e 轴指向地 心，取e 鼍指向地理北，e 1 1 指向东，这样建立的坐标系称为东北坐标系。 2 、载体坐标系0 x y z 为了讨论问题方便，还需建立图3 1 所示载体坐标系吼载体坐标系也称为 动坐标系。动坐标系是与水下载体固联在一起的。动坐标系的坐标原点o 取在舯 纵剖面、舯横剖面及水下机器人的上下部分的对称剖面的交点处。规定o x 轴与 水下机器人主轴一致，指向艇艏为正，o y 轴垂直于舯纵剖面指向右舷为正，o z 轴由右手螺旋法则确定，指向艇底为正。 辍 。 ) i ( 北向) 图3 - 1 地球坐标系和载体坐标系 在动坐标系中原点的速度u 在x 、y 、z 轴上的投影表示为：1 1 、v 、w ，角速 度q 在x 、y 、z 轴上的投影表示为：p 、q 、r 。作用与水下机器人载体上的合力 f 和合力矩m 在各轴上对应的分量分别用x 、y 、z 和k 、m 、n 表示。 本文涉及的潜器运动参数符号，采用国际船模拖曳水池会议( i t t c ) 所推 荐的通用符号。各符号的意义如表3 一l 所示。其中速度与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。 上海大学硕士学位论文 第三章水下机器人运动学分析 表3 1 载体坐标系的主要符号 向量x 轴 y 轴 z 轴 速度uu v w 角速度n p q r 力fxyz 力矩mkmn 定义以下名词： 进退：沿x 轴的直线运动，沿x 轴正向运动称为前进，反之为后退。 横移：沿y 轴的直线运动，沿y 轴正向运动称为右移，反之为左移。 沉浮：沿g 轴的直线运动，沿g 轴正向运动称为下潜，反之为上浮。 转艏：以z 轴为转轴的转动，艏向角、l ，符合右手法则为正，反之为负。 横摇：以x 轴为转轴的转动，横倾角单符合右手法则为正，反之为负。 纵倾：以y 轴为转轴的转动，纵倾角0 符合右手法则为正，反之为负。 动坐标系不是惯性系，牛顿第二定律不适用，所以必须建立地球坐标系，它 是惯性坐标系，其可以直接描述水下机器人的位置和姿态。作用于潜体的流体水 动力与潜体本身形状密切相关，且取决于两者的相对运动。而水