水下機器人運動控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)
作者/ 楊建華1 田守業(yè)2 1.西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院(陜西 西安 710072) 2.中國人民解放軍92474部隊(海南 三亞 572018)
本文引用地址:http://www.butianyuan.cn/article/201612/342191.htm摘要:本文針對水下機器人(Remote Operated Vehicle)的功能和控制需求,建立了ROV運動學(xué)模型,設(shè)計了ROV閉環(huán)定向控制系統(tǒng)?;?a class="contentlabel" href="http://www.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/PID控制">PID控制方法,進行了Simulink數(shù)學(xué)仿真和模擬閉環(huán)仿真,計算機仿真試驗表明,系統(tǒng)能夠較快地穩(wěn)定到設(shè)定值,能夠滿足對ROV定向控制的要求,航向閉環(huán)模擬試驗驗證了控制系統(tǒng)的可靠性。
引言
目前,世界上各大國家都在大力發(fā)展海洋事業(yè)。但海洋中存在各種不確定和未知因素,水下機器人因其體積小、安全性高、作業(yè)深度大、航行時間長等特點成了替代人類作業(yè)最好的工具。在海洋開發(fā)中得到了廣泛應(yīng)用。水下機器人是一個強非線性系統(tǒng),各個自由度的運動相互耦合,另外,由于ROV在水下的重力、浮力和推進器安裝情況未知,給控制器的設(shè)計帶來困難[1]。建立ROV普遍、規(guī)范、實用的數(shù)學(xué)模型是對其進行控制研究的前提。數(shù)學(xué)模型過于復(fù)雜會導(dǎo)致控制系統(tǒng)的復(fù)雜,實現(xiàn)難度較大;而模型過于簡單,則不能反映系統(tǒng)真實的運動過程,導(dǎo)致其控制性能的下降[2]。雖然在ROV航行過程中,各自由度的運動會發(fā)生相互耦合現(xiàn)象,但針對ROV操縱的性能需要,在實際控制時,可以盡量避免水平和垂直方向的聯(lián)動操作。雖然ROV各個自由度的推力與推力器發(fā)出的力之間的關(guān)系一般都不復(fù)雜,但仍存在差異[3]??梢赃M行各個自由度解耦,而在每一個自由度上設(shè)計一個控制器,然后再通過推力分配,實現(xiàn)對ROV的航行控制。本文以定向控制為重點,研究了控制器的設(shè)計過程,并對控制效果進行仿真和模擬驗證。
1 ROV運動學(xué)模型建立
1.1 參考坐標(biāo)系
為了詳細地描述ROV的運動,需要建立適合描述ROV運動的坐標(biāo)系[4]。一般建立兩種坐標(biāo)系:固定坐標(biāo)系和運動坐標(biāo)系
。
固定坐標(biāo)系的原點E為海面或者海中的任意一點,η軸指向地理東,軸指向地理北,
軸指向地心,如圖1所示。運動坐標(biāo)系的原點一般取為ROV上的一點,x軸與ROV主對稱軸一致,y軸與ROV輔助對稱軸一致,z軸按照右手定則選取,如圖1所示。
由于運動坐標(biāo)系不是慣性坐標(biāo)系,在分析ROV運動情況的時候,應(yīng)當(dāng)先在地面坐標(biāo)系中建立運動方程,然后轉(zhuǎn)換到運動坐標(biāo)系中。地面坐標(biāo)系到運動坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的變換矩陣為[5]:
1.2 空間運動方程
ROV在水下做6自由度的空間運動,具體定義如下[6]:進退:沿x軸正向為前進,沿x軸反向為后退;側(cè)移:沿y軸正向為右移,沿y軸反向為左移;潛?。貉貁軸正向為下潛,沿z軸反向為上浮;回轉(zhuǎn):以z軸為中心的轉(zhuǎn)動,艏向右轉(zhuǎn)為正,左轉(zhuǎn)為負;橫搖:以x軸為中心的轉(zhuǎn)動,右傾為正,左傾為負;縱傾:以y軸為中心的轉(zhuǎn)動,抬艏為正,反之為負。水下機器人在6個自由度上的運動方程為[7]:
忽略相互垂直面內(nèi)的運動耦合,運動方程可化簡為[8]:
如果ROV重心和運動坐標(biāo)方程原點重合,則其運動方程又可化簡為:
2 水下機器人航向閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計及仿真試驗
2.1 航向閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)
航向控制系統(tǒng)的功能是維持水下機器人的航向角恒定,控制回路采用羅經(jīng)作為反饋傳感器,以羅經(jīng)測出的實際航向角和設(shè)定航向角的偏差作為閉環(huán)輸入,通過PID調(diào)節(jié)后輸出控制電機的電壓
,疊加至上位機操作機構(gòu)發(fā)出的進退、橫移航行指令上,然后經(jīng)推力分配環(huán)節(jié)和限幅后,輸出至各直流電機,作用于水下機器人載體,使它保持設(shè)定的航向,回路控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。
2.2 ROV轉(zhuǎn)向運動傳遞函數(shù)
ROV水平面內(nèi)推進器為環(huán)形分布,在進行航向調(diào)節(jié)時,假設(shè)推進器輸出的推力大小相同,力矩的作用方向相同,總的推力矩可表示為:
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