水下机器人的浮力控制系统研究

作     者：宋乾坤 

作者单位：沈阳工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吴伟;杨晓洲

授予年度：2023年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 

主      题：水下机器人 浮力控制 双闭环控制 卡尔曼滤波 

摘      要：海洋广袤无垠,蕴藏着丰富的资源。为加强海洋资源的开发利用能力,建设海洋强国,必须大力发展包括深海探测、运载等在内的海洋技术。作为人类的替身,越来越多的水下设备被运用到海洋开发和利用活动中,依靠自身携带的能源来执行各种任务的水下机器人是水下设备发展的重要方向。水下环境复杂多变,水下机器人难以自主地适应环境改变去执行任务,同时,水下机器人携带的能源有限,难以满足长时间工作的需求。基于此,通过对国内外相关文献的查阅分析,本文针对自主式水下机器人(AUV)的浮力调节的低功耗控制系统和定深控制策略进行了研究。本文主要工作内容如下: 首先,采用变体积式油囊浮力调节系统,设计了浮力调节装置的整体结构,并对滚珠丝杠的轴向平均载荷和电机的驱动转矩进行计算,为选型做出必要准备,同时对浮力调节装置使用的减速步进电机进行了原理分析。为验证浮力调节装置的有效性、便捷性和可操作性,本文对水下机器人浮力调节装置单独作用下的运动过程作出相应控制策略,并进行了必要分析。 其次,建立了低功耗深度控制模型,运用运动学理论,采用Matlab/Simulink仿真平台,使用数据拟合的方式,将浮力调节功耗模块作为评价指标之一纳入到控制系统中。详细分析了频率和功率、负载和频率、负载和深度的对应关系,建立了水下机器人运动学子系统模型和浮力调节步进电机子系统模型。 再次,针对建立的水下机器人低功耗深度控制模型,进行了双闭环定深控制策略的研究。外环自适应模糊PID控制器控制深度,内环PID控制器控制速度。仿真结果表明,使用双闭环定深控制器比采用PID定深控制器系统的超调量小、定深完成花费时间较少、能耗低、抗干扰能力较强。 最后,针对深度传感器测量存在的噪声问题,建立起适用于本篇论文定深控制的卡尔曼滤波器模型。通过对比仿真波形,在反馈回路中加入卡尔曼滤波器可以有效地抑制测量噪声带来的影响,进而改善水下机器人双闭环控制器的定深控制效果,提高水下机器人定深控制的准确性和稳定性。