模块化水下机器人及其故障诊断研究

论文摘要

随着对海洋研究与探索活动的日益增多,水下机器人技术领域也日益受到国内外研究人员的重视。但是水下机器人所能搭载的设备有限,尤其是微小型水下机器人,这显然无法满足水下机器人功能多样化的要求。因此,基于模块化技术进行水下机器人体系结构研究,通过模块化水下机器人的重构实现功能多样化是水下机器人技术领域的重要问题之一。本文基于模块化技术研究水下机器人体系结构,在水下机器人的结构功能模块化设计方面进行了相关研究工作,并基于模块化水下机器人进行了基本运动控制及故障诊断方面的研究。本文主要进行了以下几个方面的工作:1、基于模块化技术原理,研制了模块化水下机人本体基本功能模块,并基于使用功能对水下机器人的硬件系统平台进行了模块划分,实现了硬件模块与本体模块的统一,形成了控制模块舱体、驱动模块舱体及执行模块舱体三大基本功能模块,同时解决了模块间接口标准化的问题,实现了模块化水下机器人可重构性的结构特点。2、提出了一种“二级密封”的密封方法,实现了模块化水下机器人对每个模块单元部分密封及组装后整体密封的要求,确保了水下机器人能够安全的工作;同时完成了推进器保持架、罗盘屏蔽盒、连接体等一些零部件的研制工作。3、研制了模块化水下机器人硬件系统平台,确定了总体控制系统方案,并完成了控制软件的开发,实现了对该模块化水下机器人的基本运动控制以及运行状态的监测。4、基于Elman神经网络对水下机器人运动状态进行了建模,并基于执行器系统的工作原理和特点,建立了执行器系统模型,设计了水下机器人执行器系统的故障模拟方法,并对执行器系统几种典型故障进行了监测与诊断,总结出了相应的诊断规则。本文基于模块化技术对水下机器人体系结构的研究方法进行了探讨,研制了模块化水下机器人试验样机—“海梭号”,实现了系统集成。水池试验结果表明了“海梭号”作为研究用模块化实验载体的有效性和可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 模块化水下机器人发展现状
• 1.2.1 水下机器人类型
• 1.2.2 模块化设计技术
• 1.2.3 模块化水下机器人国内外研究现状
• 1.3 水下机器人故障诊断技术发展现状
• 1.3.1 水下机器人故障诊断的方式
• 1.3.2 水下机器人故障诊断国内外研究概况
• 1.4 课题来源和论文的主要研究内容
• 1.4.1 课题来源
• 1.4.2 论文的主要研究内容
• 第2章 模块化水下机器人本体结构研制
• 2.1 引言
• 2.2 水下机器人的模块单元
• 2.2.1 模块单元构造
• 2.2.2 标准化模块接口研制
• 2.2.3 模块化水下机器人的密封
• 2.3 模块化水下机器人的可重构性
• 2.3.1 水下机器人的本体模块划分
• 2.3.2 水下机器人可重构性的实现
• 2.4 本章小结
• 第3章 模块化水下机器人硬件系统研制
• 3.1 引言
• 3.2 模块化水下机器人硬件系统搭建
• 3.2.1 硬件系统模块划分及组成
• 3.2.2 能源系统组成
• 3.2.3 硬件系统模块化封装
• 3.3 模块化水下机器人测速系统
• 3.3.1 测速传感器系统
• 3.3.2 试验环境及其坐标系的建立
• 3.4 模块化水下机器人运动控制硬件结构
• 3.5 本章小结
• 第4章 模块化水下机器人基本运动控制的实现
• 4.1 引言
• 4.2 控制系统基本构架
• 4.3 模块化水下机器人基本运动控制器
• 4.3.1 水下机器人在水平面内的运动控制
• 4.3.2 水下机器人在垂直面内的运动控制
• 4.4 控制系统软件开发
• 4.5 系统控制过程
• 4.6 控制器参数调节试验研究
• 4.7 本章小结
• 第5章 模块化水下机器人执行器系统故障诊断
• 5.1 引言
• 5.2 水下机器人执行器系统典型故障模拟实验
• 5.2.1 执行器系统性能模型的建立
• 5.2.2 水下机器人运动状态模型的建立
• 5.2.3 水下机器人直航过程中的舵系统故障
• 5.2.4 水下机器人转艏过程中的舵系统故障
• 5.2.5 水下机器人转艏过程中舵系统与推进器并发故障
• 5.3 故障的决策
• 5.4 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