AUV水下机器人运动控制系统设计方案(李思乐)

中国海洋大学工程学院

机械电子工程研究生课程考核论文

题目： AUV水下机器人运动控制系统研究报告课程名称：运动控制技术

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学号： ***********

院系：工程学院机电工程系

专业：机械电子工程

时间：2010-12-26

课程成绩：

任课老师：谭俊哲

AUV水下机器人运动控制系统设计

摘要：以主推加舵控制的小型自治水下机器人为研究对象，建立了水下机器人的数学模型并进行了分析。根据机器人结构的特点，对模型进行了必要的简化。设计了机器人的运动控制系统。以成功研制的无缆自治水下机器人(AUV) 为基础，对其航行控制和定位控制方法进行了较详细的分析. 同时介绍了它的推进器布置、控制系统结构、推力分配等方法。最后展示了它的运行实验结果。

关键词：水下机器人；总体设计方案；运动控制系统；电机仿真

1 引言

近年来国外水下机器人技术发展迅速，技术水平较高。其中，具有代表性的产品有：美国Video Ray 公司开发出的Scout、Explorer、Pro 等系列遥控式水下机器人，美国Seabotix公司研发的LBV-ROV 系列，英国AC-CESS 公司的AC-ROV系列。

随着海洋开发、探测的需求越来越强，水下机器人成为全世界研究的热门课题。小型自治水下机器人具有低成本、小型化、操作灵活等特点成为近年来国内外研究的热点。自治水下机器人（Autonomous Underwater Vehicles, AUV）,载体采用模块化设计思想, 可根据需要适当增减作业或传感器模块, 载体采用鱼雷状流线外形, 总长约2 m, 外径25 cm, 基本模块包括推进器模块、能源模块、电子舱模块、传感器模块以及GPS、无线电通讯模块, 基本传感器有姿态传感器、高度计、深度计和视觉传感器, 支持光纤通讯, 载体可外挂声学设备, 通过光纤系统进行遥控操作可实现其半自主作业, 也可在预编程指令下实现自主作业。系统基本模块组成设计如图1-1所示[1]。它具有开放式、模块化的体系结构和多种控制方式（自主/半自主/遥控），自带能源。这种小型水下机器人可在大范围、大深度和复杂海洋环境下进行海洋科学研究和深海资源调查，具有更广泛的应用前景。在控制系统的设计过程中充分考虑了系统的稳定性和操纵性。控制器具有足够的鲁棒性来克服建模误差，以及水动力参数变化。

图1-1 系统基本模块组成设计

2机器人物理模型

2.1 AUV 物理模型

为了研究AUV 的运动规律，确定运行过程中AUV 的位置和姿态，需要建立AUV 的动力学模型。为了便于分析，建立适合于描述AUV 运动的两种参考坐标系，即固定坐标系Eξηζ 和运动坐标系Oxyz，如图2-1 所示：包含5 个推进器，分别是艉部的2 个主推进器、艉部的1 个垂向推进器和艏部的2 个垂向推进器。左右对称于纵中

剖面，上和下、前和后都不对称[2]。

图2-1AUV水下机器人物理模型

1.2微小型水下机器人动力学分析

微小型水下机器人总长 1.5m，采用锂电池作为能源，尾部为一对水平舵和一对垂直舵，单桨推进，可携带惯导设备、探测声纳、水下摄像机、深度计等设备，设计巡航速度约2 节。首先建立适合描述水下机器人空间运动的坐标系，其定义如图2-2所示，惯性坐标系为E −ξης ，运动坐标系为o − xyz 。

建立的坐标系，如图 1 所示。图中：E-ξηζ—惯性坐标系；Oxyz—载体坐标系。因为机器人在航行时速度不高（<4 节），可以对机器人模型进行线性化及一些简化。载体坐标系原点取于载体浮心处，在此坐标系下，载体在三个方向上的受力及运动量表达为：力：F=[X,Y,Z]T力矩：M=[K,M,N]T速度：V=[u,v,w]T角速率：ω=[p,q,r]T。

图2-2惯性和载体坐标系

在图2-2定义的惯性坐标系和运动坐标系中，机器人的空间运动向量表达为：

η1=［xyz］T；η2=［φθψ］T

υ1=［uvw］T；υ2=［pqr］T

式中：向量η1—机器人在惯性坐标系中的位置；η2—其在惯性坐标系中的姿

态；φ—横滚角；θ—俯仰角；ψ—航向角；υ1—机器人在载体坐标系中的线速度（V）；2—其在载体坐标系中的转动角速度（ω）[3]。

2总体方案设计

2.1 系统组成及工作原理

小型水下观测机器人主要由人机交互平台、上位系统、下位系统、摄像机四部分组成，操作人员通过有线遥控，结合人机交互界面上的水下视频图像，只需扳动上位系统控制面板上相应的运动控制按钮即可实现对水下机器人的运动控制，操作简单、实用。图2-3为水下机器人控制系统框图：

图2-3水下机器人控制系统框图

2.2导航系统设计

捷联惯性导航是最常见和应用最广泛的导航系统，捷联式惯性导航系统在工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰破坏，是一种自主式导航系统。但单独使用很难满足水下航行所需的导航精度与定位要求，仅靠提高惯性传感器的性能来提高的导航、定位精度是非常有限的。组合导航系统融合不同类型的导航传感器的信息，使它们优势互补，经过卡尔曼滤波，得出系统导航参数的最优估计，以获得比使用单一导航系统更高的性能和导航精度。采用磁罗盘和深度计分别与捷联惯导系统构成的组合量测值作为卡尔曼滤波的量测值，既可以用精度高的子系统的信息修正惯导误差，又可以用惯导对动态响应慢的子系统作补偿和校正，从而综合发挥各自优点。导航计算机在保证导航运算速度和精度的同时，还要具有丰富的外设接口，方便与外部多传感器进行数据通信[4]。

导航系统的传感器包括惯性测量器件IMU （陀螺仪和加速度计）、磁罗盘、深度计。其中IMU 通过三陀螺仪、三加速度计捷联解算后获得位置、速度、姿态共9 维信息，通过RS232 串口与导航计算机相连。以NEMA0183 格式传输信息到导航计算机。磁罗盘可以获取当前载体三维姿态信息，通过RS232 串口与导航计算机相连，以NEMA0183 格式传输信息到导航计算机。深度计为液压变送器，通过膜片感应内外侧水压差来确定水深，其输出为4～20mA 模拟电流信号，转换为0～5V 的电压信号后经过16 位ADC 转换模块，串行传送到导航计算机。如图2-4所示。