球形水下潜器的设计与建模研究

论文摘要

海洋是全球生命支持系统的一个基本组成部分,是实现可持续发展的宝贵财富,为了开发海洋资源,水下潜器的开发和利用日趋活跃。自助式水下潜器广泛应用与海洋救助与打捞、海洋石油开采、军事和国防建设等诸多方面,已经取得了巨大的经济效益和社会效益。自九十年代以来,在水下机器人领域特别是在自主水下潜器(AUV)的研究得到了各国研究者的广泛专注,成为全世界研究的热门课题,也取得了巨大进展。本论文的研究对象是一个球形的自助式水下潜器,研究的目的主要是在于建立研究对象的数学模型,并对数学模型进行航行器航速控制的仿真,为后续的控制器设计及研究工作提供理论依据。本论文针对球形潜器的结构设计进行了分析和讨论,并对球形潜器在推力、水动力等因素的共同作用下的运动学和动力学方面的特性,通过试验和理论相结合的方式对喷水推进器电机进行了建模及识别,同时对于球体的水动力系数进行了理论分析和计算,最终建立了一个经过合理简化后的球形潜器动力学模型。根据球形潜器的特点设计了硬件控制电路,完成了ARM控制系统的设计和AVR电机控制电路的设计。最后对潜器的航速控制进行了仿真,利用龙格库塔法对非线性的动力学方程进行了求解并且和线性化后的动力学方程进行了比较。由于PID控制是一个成熟且广泛应用的控制策略,因此对于线性化的动力学方程设计了PID控制器并进行了仿真,得到了比较好的仿真结果,说明PID控制能够胜任对潜器的航速控制。应该指出的是论文中的结论都是通过计算机、利用MATLAB获得的,与实际情况会有一定的误差,有待于后续者进一步的证实和修正。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 论文研究的背景和意义
• 1.2 自主水下潜器的国内外研究及发展现状
• 1.2.1 国外AUV的发展状况
• 1.2.2 国内AUV的发展状况
• 1.3 论文的主要研究内容和结构安排
• 第2章 球形潜器的结构及控制系统硬件设计
• 2.1 球形潜器的结构设计
• 2.1.1 球形潜器主要部件的结构及参数
• 2.1.2 球形潜器的组装
• 2.2 球形潜器的控制系统硬件设计
• 2.2.1 ARM简介
• 2.2.2 ARM控制电路设计
• 2.2.3 ATmega8简介
• 2.2.4 L298驱动电路
• 2.2.5 ATmega8控制电路
• 2.2.6 完整的AVR电机控制电路
• 2.3 本章小结
• 第3章 球形潜器的动力学建模
• 3.1 引言
• 3.2 坐标系及坐标变换
• 3.3 球形潜器运动学建模
• 3.3.1 球形潜器的位置和姿态
• 3.3.2 球形潜器的线加速度和位置的关系
• 3.3.3 球形潜器的角加速度和姿态的关系
• 3.4 球形潜器动力学建模
• 3.4.1 平移运动
• 3.4.2 旋转运动
• 3.5 球形潜器的动力学方程推导
• 3.6 球形潜器的空间运动受力分析
• 3.6.1 推力的分布与计算
• 3.6.2 浮力与重力及其力矩
• 3.6.3 附加质量与惯性质量
• 3.6.4 水动力阻力
• 3.7 球形潜器的完整动力学方程
• 3.8 本章小结
• 第4章 球形潜器动力学模型参数的计算
• 4.1 引言
• 4.2 喷水推进器电机模型的确定
• 4.2.1 试验原理
• 4.2.2 试验数据测量及其处理
• 4.2.3 电机模型的确定
• 4.3 球形潜器附加质量及转动惯量的计算
• 4.3.1 附加质量的计算
• 4.3.2 转动惯量的计算
• 4.4 球形潜器水动力阻力的计算
• 4.4.1 线性摩擦阻力
• 4.4.2 二次压差阻力
• 4.5 本章小结
• 第5章 球形潜器的航速控制
• 5.1 引言
• 5.2 水平面运动的动力学方程的求解
• 5.2.1 水平面运动的动力学模型
• 5.2.2 龙格库塔法求解非线性方程
• 5.3 球形潜器航速控制器仿真研究
• 5.3.1 水平面动力学方程的线性化
• 5.3.2 PID控制
• 5.3.3 PID控制器及其仿真
• 5.4 球形潜器水平运动的实物试验
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢