水下机器人运动控制系统的研究

论文摘要

随着对海洋的不断开发,水下机器人得到了越来越广泛的应用。运动控制是水下机器人研究中一个重要方面,稳定可靠的运动控制系统也是水下机器人完成预期任务和水下作业的前提和保证。本文以室内小水池为实验平台,‘设计水下机器人及其运动控制系统方案,讨论系统中各个模块的功能及实现方法,以实现机器人对水下空间路径的跟踪,并对该方案进行可行性论证和基于数学模型的动态仿真。本文首先提出水下机器人运动控制系统的总体设计方案,详细介绍了其结构及工作原理。对机器人壳体的形状、性能参数以及推进方式的选择进行探讨,并在此基础上进行水下机器人结构的设计计算。对推力、水下运动阻力的计算进行了适当的取舍,给出水下机器人空间运动方程,根据实际情况对其作合理简化得到本系统的空间数学模型。在实验方面,对系统下位机和上位机进行了研究并确立了实现方法,具体给出了基于LPC2148控制芯片的下位机详细硬件和软件设计流程,对主要功能模块进行阐述,完成控制信号的输出和驱动。在PC机中的VC++6.0平台上进行上位机系统的开发,完成界面设计,图像采集、处理,三维位置推算以及控制算法的执行。上位机与下位机之间采用了串口通信方式。在建立的水下机器人数学模型基础上,应用了PID和模糊自适应PID控制算法,并用Matlab进行了动态仿真。仿真实验结果表明,以上控制方法适合该水下机器人的运动控制,该方案能够满足设计要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 水下机器人的国内外研究现状
• 1.2.1 国内的研究现状
• 1.2.2 国外的研究现状
• 1.3 水下机器人的运动控制研究
• 1.4 论文的主要工作及安排
• 第2章 水下机器人及其运动控制系统
• 2.1 系统总体设计方案
• 2.1.1 系统任务要求
• 2.1.2 系统结构及工作原理
• 2.2 水下机器人的结构设计
• 2.2.1 壳体的选择
• 2.2.2 推力器的布置
• 2.2.3 重心与浮心计算
• 2.3 水下机器人系统建模
• 2.3.1 空间受力分析
• 2.3.2 水下机器人空间运动方程
• 2.3.3 水下机器人空间数学模型
• 2.4 本章总结
• 第3章 下位机系统设计
• 3.1 下位机硬件设计
• 3.1.1 LPC2148简介
• 3.1.2 LPC2148控制模块电路设计
• 3.1.3 直流电机驱动模块电路设计
• 3.2 下位机软件设计
• 3.2.1 LPC2148控制模块软件设计
• 3.2.2 直流电机模块软件设计
• 3.2.3 下位机程序流程
• 3.3 本章小结
• 第4章 上位机系统设计
• 4.1 上位机界面及功能介绍
• 4.2 VC串口通信
• 4.2.1 MSComm控件简介
• 4.2.2 MSComm控件串口通信设计
• 4.3 图像采集
• 4.3.1 VFW简介
• 4.3.2 图像采集流程
• 4.4 图像处理
• 4.4.1 图像的二值化处理
• 4.4.2 水下机器人位置推算
• 4.5 本章小结
• 第5章 水下机器人系统控制器设计及仿真
• 5.1 PID控制
• 5.1.1 PID控制的基本原理
• 5.1.2 数字PID控制器的设计
• 5.2 模糊PID控制
• 5.2.1 模糊控制的基本原理
• 5.2.2 模糊自适应PID概述
• 5.2.3 模糊自适应PID控制器的设计
• 5.3 仿真结果与分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结
• 参考文献
• 致谢