水下机器人—机械手系统动力学建模及运动控制研究

论文摘要

伴随着人类社会的发展和物质文明的进步,陆地上的资源正日益枯竭,而为了满足人类社会发展对自然资源的需求,对蕴含丰富资源的海洋的开发显得愈发重要。在对海洋环境和资源进行考察和勘探作业中,带有机械手的水下机器人系统能够完成除观察监测任务外的更为复杂的操作任务,因此对水下机器人-机械手系统（Underwater Vehicle-Manipulator System,简称UVMS）动力学建模、运动控制及运动稳定性的研究具有重要的意义。对于基座处于自由浮动状态的UVMS,本文采用指数积公式（product exponentials formula）分析其运动学问题,计算出了UVMS各个构件的速度及加速度表达式。在运动学分析的基础之上,得到了UVMS运动过程中的惯性力,并结合UVMS运动过程中所受到的水作用力和驱动力,本文运用Kane方程建立了UVMS的动力学模型。在UVMS的运动过程中,机械手和水下机器人存在着动力学耦合,机械手的运动会导致水下机器人的运动。为了使得机械手展开过程中对处于浮游状态的水下机器人影响最小,应合理地规划机械手的展开轨迹,本文基于动平衡理论,研究机械手展开运动对水下机器人的摆动力和摆动力矩的变化。并以此为目标函数,采用遗传算法对机械手展开运动的参数进行了优化,最终获得了机械手展开过程中对水下机器人产生的摆动力和摆动力矩最小的运动规律,并用基于动力学模型的数值仿真验证了优化结果的正确性。为了研究UVMS的运动稳定性问题,本文参照小扰动理论,对UVMS的非线性运动方程进行了线性化处理,获得了UVMS的线性化运动方程,并用李雅普诺夫第一方法对线性化运动方程的特征根进行了稳定性判定。在对UVMS运动学冗余的处理过程中,本文采用基于模糊逻辑的任务优先级方法,合理地规划了水下机器人和机械手的运动,并考虑了UVMS运动过程中奇异位形和关节极限问题的处理,最后用数值仿真验证了此方法的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 UVMS的国内外研究现状
• 2 UVMS动力学模型的建立
• 2.1 UVMS运动学分析
• 2.1.1 旋量理论和指数积公式
• 2.1.2 基于指数积的UVMS运动学分析
• 2.2 UVMS动力学分析
• 2.2.1 Kane方程
• 2.2.2 UVMS运动过程中的惯性力和广义惯性力
• 2.2.3 UVMS的水动力模型
• 2.2.4 UVMS的驱动力模型
• 2.2.5 UVMS动力学模型的建立及仿真分析
• 3 UVMS轨迹规划和运动稳定性研究
• 3.1 基于摆动力和摆动力矩的UVMS机械手展开轨迹规划
• 3.1.1 UVMS机械手展开的运动规律选择
• 3.1.2 遗传算法
• 3.1.3 UVMS机械手展开运动参数的优化
• 3.1.4 基于UVMS动力学模型的数值仿真验证
• 3.2 UVMS运动稳定性分析
• 3.2.1 运动方程线性化条件及方法
• 3.2.2 UVMS运动方程的线性化
• 3.2.3 李雅普诺夫稳定性
• 3.2.4 UVMS运动稳定性分析
• 4 基于任务优先级方法的UVMS运动学冗余处理
• 4.1 任务优先级方法
• 4.2 基于模糊逻辑的参数确定
• 4.3 数值仿真分析
• 5 结论与展望
• 5.1 本文总结
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 附录
• 附录Ⅰ 水下机器人-机械手系统（UVMS）动力学方程
• 附录Ⅱ 水下机器人-机械手系统（UVMS）线性化运动方程
• 致谢
• 个人简历
• 硕士期间发表论文情况