自主式水下机械手关节速度伺服控制研究

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水下机器人的航行控制及优化研究

水下机器人的航行控制及优化研究

水下机器人的航行控制及优化研究水下机器人是一种具有高度自主和高灵活性的机器人,能够在海洋中执行各种任务,如海底管道维护、深海勘探和水下考古等。

这些任务通常需要机器人精确地控制自身姿态、速度和位置,以完成各种复杂的操作。

因此,水下机器人的航行控制和优化是实现它们高效执行任务的关键问题之一。

水下机器人的航行参数水下机器人的航行参数通常包括运动姿态、速度和位置等。

其中,运动姿态可以用欧拉角表示,如横滚角、俯仰角和偏航角;速度可以用线速度和角速度表示;位置可以用水平方向上的坐标和垂直方向上的深度表示。

这些参数可以通过多种传感器获取,如陀螺仪、加速度计、磁力计、深度传感器和定位系统等。

水下机器人的姿态控制水下机器人的姿态控制是指通过控制机器人的横滚角、俯仰角和偏航角,使其达到期望的运动姿态。

姿态控制通常包括三个步骤:姿态测量、姿态控制和姿态调整。

姿态测量是指获取机器人当前的横滚角、俯仰角和偏航角,姿态控制是指通过控制机器人的运动姿态,实现期望的运动任务,姿态调整是指根据实际姿态,对控制参数进行调整,使得机器人能够更好地执行任务。

姿态控制方法主要有两种:基于模型的控制方法和基于非模型的控制方法。

基于模型的控制方法通常指使用机器人动力学模型,构建控制器,实现对机器人姿态的控制。

基于非模型的控制方法通常指使用PID控制器或者其他控制器,对机器人姿态进行控制。

水下机器人的速度控制水下机器人的速度控制是指通过控制机器人的线速度和角速度,使其达到期望的速度。

速度控制通常包括三个步骤:速度测量、速度控制和速度调整。

速度测量是指获取机器人当前的线速度和角速度,速度控制是指通过控制机器人的线速度和角速度,实现期望的运动任务,速度调整是指根据实际速度,对控制参数进行调整,使得机器人能够更好地执行任务。

速度控制方法主要有两种:基于模型的控制方法和基于非模型的控制方法。

基于模型的控制方法通常指使用机器人动力学模型,构建控制器,实现对机器人速度的控制。

水下机器人结构设计与控制系统研究

水下机器人结构设计与控制系统研究

水下机器人结构设计与控制系统研究近年来随着人类对深海地形和海洋生物的深入研究,水下机器人的应用越发广泛,其设计和控制系统也成为关键技术之一。

本文将介绍水下机器人的结构设计和控制系统研究,帮助读者更深入了解这一重要领域。

一、水下机器人结构设计水下机器人的结构设计主要包括机身、推进器、感应器、探测器和电源等五个部分。

机身是水下机器人的中心部分,推进器和感应器则是协同机身完成行动和获取信息的关键所在。

1. 机身机身是水下机器人的轮廓,同时具有重要的压力容纳作用。

水下机器人需要承受高压环境,在设计机身时需要采用可靠的密封材料,防止机器人在水下高压环境中出现漏水问题。

同时,机身也需要考虑灵活性,确保机器人可以在深海环境下进行操作。

2. 推进器推进器是水下机器人的动力系统,也是机身移动的关键。

根据机器人的不同用途,推进器的种类和数量也不同。

通常采用的推进器有螺旋桨和喷口式,其中螺旋桨适用于对速度要求不高的情况,喷口式则适用于对速度要求较高的情况。

3. 感应器感应器是水下机器人获取信息的重要手段。

通常采用的感应器有摄像头、声呐、温度和湿度传感器等。

这些感应器可以帮助机器人收集周围环境的信息,为后续探测和分析提供数据支持。

4. 探测器水下机器人的探测器可以帮助研究者获取一些硬仗的数据,比如高分辨率水下地形和海底生物等。

通常采用的探测器有地形探测器、磁力计和海底图像探测器等,其中地形探测器和图像探测器适用于测量水下地形和水下生物的情况,磁力计则适用于探测特定元素等。

5. 电源水下机器人的电源是其工作的关键,因此需要保证电源的充电效果和容量,避免因电力不足而中途停止运行。

在研究机器人电源时还需要考虑其对机器人本身的负荷,以便随时进行调整。

二、水下机器人控制系统研究水下机器人的控制系统由定位、导航、控制和通信组成。

通过不断进步研究和开发,现在的水下机器人控制系统越来越先进和高效。

下面对水下机器人的控制系统各方面进行详细介绍。

水下机器人机械手臂的设计与控制

水下机器人机械手臂的设计与控制

水下机器人机械手臂的设计与控制随着科技的不断发展和应用,水下机器人成为了深海探索和海洋资源开发中不可或缺的工具。

而机械手臂作为水下机器人的“手”也显得尤为重要。

本篇文章将重点探讨水下机器人机械手臂的设计与控制。

一、机械手臂的设计1. 基本结构水下机器人机械手臂的基本结构一般包括机械臂主体、关节、末端执行器和控制系统。

机械臂主体是机械手臂的主支架,关节连接机械臂主体和末端执行器,控制系统是整个机器人的大脑,也是机械手臂的运作中枢。

2. 关节类型机械手臂的关节类型包括旋转关节、线性关节和旋转线性关节。

旋转关节由一个旋转轴固定在机械臂主体上,可以在水平或垂直平面内旋转;线性关节是指沿着直线方向移动的关节,用于伸展机械手臂;旋转线性关节则是既可以沿着直线方向移动又可以旋转的关节。

3. 末端执行器机械手臂的末端执行器一般有钳子、操作器、抓取器等多种类型。

根据机器人的应用场景和需求选择合适的末端执行器非常重要。

4. 简化设计为了避免机械手臂的结构复杂,降低制造成本和运行维护的难度,有时会采用简化设计方案。

例如,机械手臂的关节数目、类型和布局可以进行优化,通过降低复杂度来提高整体的性能和稳定性。

二、机械手臂的控制1. 控制算法机械手臂的控制算法是保证机器人正常运行的核心部分。

常见的控制算法包括PID控制、自适应控制和神经网络控制等。

PID控制是一种经典的控制算法,可以实现位置控制、速度控制和力控制;自适应控制能够根据不同工况自动调整控制参数;神经网络控制则可以模拟人脑的思维方式,具有自学习和自适应的能力。

2. 传感器机械手臂的传感器一般包括编码器、压力传感器、视觉传感器、声呐传感器等。

编码器可以实时感知机械手臂的位置和速度;压力传感器可以测量机器人与周围环境之间的接触力,帮助机器人避免碰撞;视觉传感器可以拍摄周围场景,实现机器人的视觉导航;声呐传感器可以探测水下环境的距离和深度。

3. 增量式控制增量式控制是一种非常常见的机械手臂控制策略。

水下机器人定位与控制技术研究

水下机器人定位与控制技术研究

水下机器人定位与控制技术研究水下机器人是近年来发展迅速的一种智能化机器人。

其在海洋开发、生态环境监测、水下勘探等领域都有广泛的应用。

其中,水下机器人的定位和控制技术是保证其正确运行和完成任务的关键。

一、水下机器人定位技术水下机器人定位技术是实现自主控制的重要手段,有效的定位技术可以实现机器人的高精度的移动和定位,并能保证其按照设定的路径完成任务。

(一)GPS定位技术GPS定位技术是最常用的定位技术之一,但在水下操作中,GPS信号的传输受到水下环境的影响较大,因此其定位误差较大。

但是,在浅海水域内,GPS定位仍可作为水下机器人的辅助定位手段。

(二)水声定位技术水声定位技术是水下机器人最常用的定位技术之一。

该技术基于水声信号的传输和接收,可以实现水下机器人的高精度定位。

同时,水声定位技术对于水下环境的影响较小,能够稳定地工作。

(三)光学定位技术光学定位技术是一种接近GPS精度的定位技术。

但是,由于光在水中的传输常数较小,水下机器人需要配备高精度的光学传感器才能实现准确的定位。

(四)UWB定位技术UWB(超宽带)定位技术是一种新兴的定位技术。

其通过发送和接收微波信号,实现水下机器人的高精度定位。

在水下定位方面,UWB技术具有较高的方位精度和测距精度,但相应的设备和芯片价格较高。

二、水下机器人控制技术水下机器人的控制技术不仅涉及到机器人的动力系统和控制算法,还包括海洋环境的感知、任务规划和执行等方面。

(一)机器人动力系统机器人动力系统是水下机器人完成任务的重要组成部分。

不同的任务需要不同的动力系统,比如浅海水域的巡逻任务可以使用液压动力系统,而深海潜水任务则需要使用电动系统或者其他适合深水环境的动力系统。

(二)控制算法控制算法是决定水下机器人完成任务效率的关键因素。

主要包括机器人控制模型建立、控制器设计、路径规划等方面。

针对不同的任务,需要不同的控制算法来实现机器人的自主控制。

(三)环境感知环境感知是水下机器人在海底环境中获取信息的重要手段。

水下机器人结构设计及控制方法研究

水下机器人结构设计及控制方法研究

水下机器人结构设计及控制方法研究随着现代科技的不断进步和普及,各种机械设备在我们的日常生活中已经变得越来越普遍。

其中,水下机器人是近年来不断发展和应用的一种机器设备,主要应用于海底资源勘探、海洋环境监测、水下修建等领域。

在水下机器人的设计和制造过程中,结构设计和控制方法是两个非常关键的环节。

本文将会就水下机器人的结构设计和控制方法进行详细的探讨和分析。

一、水下机器人结构设计水下机器人的结构设计可以分为以下几个方面:1.材料选择水下机器人作为一种需要在严酷环境下工作的机械设备,其材料必须具备很高的耐用性和防腐性。

因此,我们在选择水下机器人的材料时,需要考虑到这些因素,以确保机器人在长时间使用中不会发生故障和损坏。

2.外形设计水下机器人的外形设计主要是为了提高其运动和机动性能。

设计人员需要结合机器人的工作环境和任务,来确定机器人的最佳外形设计,以确保机器人可以在水下顺利运动和完成各种任务。

3.流体动力学设计水下机器人需要在水下稳定运动,而水中的阻力是其运动所必须克服的主要因素。

因此,在设计水下机器人的时候,流体动力学设计是一个非常重要的方面,关系到机器人的稳定性和操作性。

4.传感器和控制系统设计在水下机器人的结构设计中,传感器和控制系统是两个非常重要的方面。

传感器可以对机器人的工作环境进行测量和监测,控制系统则可以对机器人进行控制和调节。

二、水下机器人控制方法研究水下机器人的控制方法可以分为以下几个方面:1.传感器传感器是实现控制机器人的一个非常重要的组成部分。

机器人需要通过传感器对环境和自身状态进行测量和监测,以便对其进行控制和调节。

2.自主控制自主控制是指机器人能够独立完成任务的一种控制方法。

水下机器人可以通过自主控制完成不同的任务,例如进行海底资源勘探、水下修建和海洋环境监测等。

3.远程控制远程控制是指通过遥控器或者无线网络对机器人进行控制的一种方法。

远程控制可以使机器人完成人工难以完成的任务,例如在危险环境下进行作业和进行深海勘探等。

水下机器人机械手臂的设计与控制

水下机器人机械手臂的设计与控制

水下机器人机械手臂的设计与控制在水下环境中,机械手臂需要具备良好的自由度和灵活性,以完成各种复杂的任务,例如探测海底资源、进行海底建设和维护等。

因此,机械手臂的设计需要兼顾结构刚性和运动自由度之间的平衡。

在机构结构设计方面,水下机器人机械手臂通常采用串联多关节链结构,以增加其自由度,并且可以实现较大范围的工作空间。

每个关节通常由电机、减速器和传感器构成,其中电机提供驱动力,减速器用于减小电机输出的转速,并增加扭矩,传感器用于测量关节的角度和位置信息。

通过控制各个关节的运动,整个机械手臂可以实现复杂的运动轨迹和姿态。

在选择执行器方面,由于水下环境中存在高压、低温和腐蚀等特点,传统的执行器如液压和气动执行器往往难以满足要求。

因此,电动执行器常常被用于水下机器人机械手臂中。

电动执行器具有结构简单、体积小、响应速度快、易于控制和维护等优点,并且适应水下环境的要求。

目前,常用的电动执行器包括直流电机、步进电机和伺服电机等。

在控制策略方面,水下机器人机械手臂的控制可以分为位置控制和力/力矩控制两种方式。

在位置控制中,通过控制各个关节的位置,使机械手臂达到期望的姿态。

常用的控制算法有PID控制、自适应控制和模糊控制等。

在力/力矩控制中,机械手臂通过感知外部环境的力或力矩信息,并对其进行反馈控制,以实现对物体的抓取、操纵和移动等任务。

力/力矩控制常用的算法有力/力矩反馈控制和神经网络控制等。

此外,水下机器人机械手臂还需要考虑以下几个方面的特点。

首先,由于水下环境的高压和腐蚀性,机械手臂需要采用防水和防腐蚀材料进行封装和保护。

其次,由于水下环境的视觉信息受限,机械手臂通常需要结合其他传感器,如压力传感器和声纳传感器等,以提供更多的环境信息。

最后,机械手臂的控制系统需要具备很高的稳定性和可靠性,以应对复杂的水下工作环境。

综上所述,水下机器人机械手臂的设计和控制涉及机构结构设计、执行器选择和控制策略等多个方面。

通过合理的设计和控制,机械手臂能够在水下环境中具备较高的操作能力和任务执行效果,进一步推动水下机器人技术的发展。

智能化水下机械手的研究

智能化水下机械手的研究
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摘 要 : 下机 械 手 的研 究和 设 计 对 水 下机 器人 的 应 用 和 发 展 具 有 重要 的 影 响 , 智 能 化 水 水 而

水下作业机器人的研究与开发

水下作业机器人的研究与开发

水下作业机器人的研究与开发一、介绍水下作业机器人的概念随着海洋经济的不断发展,水下作业机器人的应用越来越广泛。

水下作业机器人是指能够在水下进行维修、检查、勘测、清洁和搜寻等工作的机器人。

这些机器人一般采用遥控或自主导航的方式进行操作,其任务涉及到海洋资源开发、海底管道维修、海底考古、军事侦察等领域。

二、设计需求和技术难点水下作业机器人的研究和开发需要满足以下的设计需求:1. 视觉和声纳传感技术:由于水下环境条件复杂且光线不充足,因此水下作业机器人必须能够精确地感知周围的环境和障碍物,同时清晰地传输图像和声音。

2. 操控技术:水下作业机器人的控制必须精确和可靠,以确保机器人能够进行轻松而高效的操作。

3. 算法开发:水下作业机器人需要使用各种算法来实现自主导航和路径规划,以便在复杂的水下环境中实现目标并避免障碍。

4. 热管理:机器人在水下工作,需要保持适当的温度,防止机器人内部元件受到损坏。

水下作业机器人也存在着许多技术难点,如:1. 水下通信的问题:由于在水下环境中传输的信号会受到水流和水体的阻碍,因此优化通信信道是必要的。

2. 机器视觉和声纳的精度难题:在复杂和多变的水下环境中,机器视觉和声纳的深度精度和高清晰度是实现任务的关键。

3. 自主导航算法的设计:水下作业机器人需要实现自主导航,在水下充满不确定性的情况下实现机器人智能路径规划是一个技术挑战。

三、开发过程中的技术创新为了克服技术难点,水下作业机器人研究和开发中进行了许多技术创新,其中一些主要技术包括:1. 水下动力技术:采用优化推进力的水下推进系统,以提高机器人的速度和机动性能。

2. 遥控操作技术:利用高清晰度摄像机和远程操控器,实现远程操作机器人。

3. 图像处理技术:使用计算机视觉技术处理水下图像。

4. 机器人控制算法:设计并改进目标跟踪、自主导航和路径规划算法,以实现机器人自主运动和对复杂情况的适应。

同时,开发水下作业机器人的后续研究还有两个主要方向,一是在探测、地质勘探等过程中,提高机器人的控制技术和环境适应性,二是使用无线充电技术取代传统的能量传输方式,可以更好地解决工作时间问题。

水下机器人的驱动技术研究与设计

水下机器人的驱动技术研究与设计

水下机器人的驱动技术研究与设计一、引言水下机器人是一种能够在水下进行各种任务的机器人,包括水下勘探、沉船打捞、海底管线维护等。

随着科技的不断进步,水下机器人的应用越来越广泛。

本文将围绕水下机器人的驱动技术进行研究和设计。

二、水下机器人驱动技术的概述1. 水下机器人的驱动方式水下机器人的驱动方式包括推进器和滑翔机。

推进器的原理是通过电动机驱动螺旋桨或者喷口从而提供推力;滑翔机则是通过机翼的升力和重力之间的平衡来进行控制。

在不同的作业环境下,采用不同的驱动方式可以获得更好的效果。

2. 水下机器人的动力来源水下机器人的动力来源有很多,包括电缆供电、电池供电、燃料电池供电、太阳能供电等。

不同的动力来源有不同的特点和适用范围,需要根据实际需求进行选择。

三、水下机器人驱动技术的研究1. 推进器的优化设计推进器是水下机器人的核心部件之一,其性能的优良与否会直接影响水下机器人的运行效果。

目前,推进器的设计思路已经由传统的桨式推进转变为了喷口式推进和固定翼式推进。

这种变化一方面是由于新型材料的应用,另一方面则是由于在不同运行深度下的水动力特性的影响。

推进器的优化设计可以有效地提高推进效率和机器人的运行稳定性,从而获得更长时间的运行时间。

2. 滑翔机的设计及控制与传统的推进器不同,滑翔机是通过机翼的气动力效应来推进的。

控制滑翔机需要根据水流的速度和方向进行不断的调整,保持其在水下的平衡和稳定。

滑翔机的优化设计可以使其在飞行时更加平稳,并且可以在水下进行更长时间的勘探和探索。

四、水下机器人的驱动技术应用案例1. 油田勘探在海底的油田勘探中,水下机器人可以通过多种方式进行勘探作业,如水下摄像、声学探测、地磁勘探等。

在选取驱动方式和动力来源时需要考虑到运行环境的多样性和复杂性。

2. 海底管线维护海底管线维护是一项非常困难的任务,其需要进行复杂的工作如变焊、切割等。

水下机器人可以通过定位和遥控控制方式进行管道维修,在这种情况下应该选用喷口式推进方式以便更好的实现机器人速度和位置的掌控。

水下机器人的机械结构设计及运动控制

水下机器人的机械结构设计及运动控制

水下机器人的机械结构设计及运动控制导言:水下机器人是一种能够在水下进行各种任务的机器人。

它可以在海洋深处探索未知领域,执行水下修复、勘测和救援等任务。

本文将探讨水下机器人的机械结构设计和运动控制技术,希望能为水下机器人技术的进一步发展做出贡献。

一、机械结构设计1. 水密性设计水下机器人的机械结构设计首要考虑的是水密性。

由于水的压力和腐蚀性,机器人必须具备足够强度和耐腐蚀性的外壳。

材料的选择和结构的设计需要兼顾机械性能和防水性能,以确保机器人的正常运行和长期使用。

2. 全向运动性水下机器人在执行任务时需要具备全方位的运动能力。

因此,其机械结构设计需要考虑良好的机动性和机构的合理布局。

采用多关节机械臂、推进器和舵翼等设计,使机器人能够在水中实现各种运动方式,包括前进、后退、左右转向、上下浮动等,以适应不同的任务需求。

3. 适应性设计水下机器人的机械结构设计应具备适应性,即能适应不同深度、不同水域环境和不同任务需求。

例如,机器人的外壳设计需要能够承受不同水下压力,机构设计需要能够在不同水质条件下正常运行,同时还要考虑任务装备的可更换和升级性,以应对不同的任务要求。

二、运动控制技术1. 传感器技术水下机器人的运动控制首先需要获取环境信息,了解机器人当前的位置、姿态和水下环境的状态。

因此,传感器技术在水下机器人的运动控制中起着至关重要的作用。

水下机器人常用的传感器包括压力传感器、温度传感器、姿态传感器等,通过这些传感器可以获取水下环境的各种参数,从而实现对机器人的精确控制。

2. 控制算法水下机器人的运动控制算法需要能够根据传感器获取的环境信息对机器人的运动进行实时调整。

控制算法通常包括路径规划、运动轨迹控制和动力学建模等,通过对机器人的运动进行建模和优化,实现机器人在水下的精确控制。

优化的控制算法可以提高机器人的运动效率和稳定性,提高任务的完成效果。

3. 防护策略水下机器人在水下作业时面临着各种潜在的危险,比如水流、水压、水温等。

水下机器人新型关节伺服系统研究

水下机器人新型关节伺服系统研究

1.2 水下机器人技术综述
水下机器人 也称作潜水器
underwater vehicles ,准确地说 它不是人们
通常想象的具有人形的机器 而是一种可以在水下代替人完成某种任务的装置 水 下机器人技术是集运动学与动力学理论 机械设计与制造技术 计算机硬件与软件 技术 控制理论 电动伺服随动技术 传感器技术 人工智能理论等科学技术为一 体的综合技术 它的研究与开发标志着一个国家科学技术的发展水平,也显示出这 个国家的经济和科技发展的实力 同时其技术的应用具有重要的国防战略意义 海 洋作为人类生存和发展的新领域,海洋的开发与利用已经成为决定一个国家兴衰的 基本因素之一 世界上许多发达国家为了海洋事业,不惜投入巨大的人力 财力来 推动水下机器人技术的发展, 从而使水下机器人具有更加广阔的应用前景 水下机 器人设计是一项综合性的复杂工程,技术密集度高,是公认的高科技,它的研制水平 体现了一个国家的综合技术力量
强系统性能 引进数字位置环 速度环双环控制方案 通过对系统各个环 详细介绍以 PIC16F876 为核心的数字位置伺服控制器的硬件电路设计 并 给出软件设计流程图 4. Magnetic Compatibility-EMC 念
通过对制约水下机器人发展的能源瓶颈问题的分析 并且针对本文研究的伺服系统
最后简要总结了水下机器人伺服控制的全数字控制系统 作为实验室的预研课 题 为解决系统小型化和低功耗问题提供较好的思路 本文还提出系统中存在的一 些问题 对以后的改进和完善提出建议 水下机器人 PIC 控制仿真 电源管理 关键词
Key Words:
Autonomous Underwater Vehicle PIC Power Management
II
Simulationห้องสมุดไป่ตู้

三自由度水下机械手研制

三自由度水下机械手研制

水下机械手进行运 动学和动力学计算 , 以及计算机仿真, 确定 水下机械手的 自由度为三个 , 分别为大臂转动关节( 肩关节) 、
小 臂转 动 关 节 ( 肘关 节 ) 手 爪 转动 关 节 ( 关 节 ) 和 腕 。另 外 还 有

道铺设 和维修等诸 多水下 作业任 务都在逐 步增 多。世 界很 多围家都在加快对海 洋资 源的开发 和利用 , 进行大规模 的海

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文章 编号 : 0 2 8 6 2 0 ) 6 0 3 —0 1 0 —6 8 ( 0 8 0 — 0 2 3
三 自 由度 水 下 机 械 手 研 制
安 江 波 , 富强 。 于 王龙
( 海军蚌埠 士官 学校机 电 系, 安徽 蚌 埠 231) 302 摘 要 : 了研 究无人 无缆 自主式 水下机 器人 的深 海作 业性能 , 分析 妻水下机械 手 工作环 境及 作业 性 能的 基础 上, 为 在 研黼 了三 自由 度 水下机械 手 。在 考虑 了本体材 料 、 耐压 壳体形 状 、 密接 插件和 关节走 线形 式等基础上 , 水 进行 了水下机 械手 的本体结构 设计 , 同 时也对水 下机械手 的 关节驱动 方式进行 了研 究。为 了实现对 水 下机械 手 的 有效控 制 , l上位 机 和 下位机 两 级控 削 方式 , 完 采用 并 成 了硬件 和软件 设计 。最后进行 了实验调试 , 结果表 明 了所研制的水 T机械 手满足 设计要 求 。 其
np ltr n tebsso h o ymae a,tep es r ul h p ,tewaet h o nco d tejitcbel kman r,teb d iuao.O h ai f eb d tr l h rsueh lsa t i e h tri t n etra h n a l—n n es h o y g c n o i srcua o eu d r tr np l o ein d s l n o sytejitd v y et ersac e O.I re o t l h ne— tu trl ft n ewae iua rid s e , i t eul h n r etp Ob eerhdtO nod r Ocnr eu d r h ma t s g mu a o i t ot

水下机器人的智能控制技术

水下机器人的智能控制技术

水下机器人的智能控制技术第一章:引言随着科技的不断迭代和技术的不断革新,各种智能机器人已经越来越多地应用于人们的生产和生活中。

在其中,水下机器人的研究与应用对于深海油田的开发、海底资源的勘测等方面具有重要的意义。

水下机器人的智能控制技术是水下机器人发展的重点之一,本文将会重点探讨水下机器人的智能控制技术。

第二章:水下机器人的基本技术水下机器人是指能够在水下进行自主控制和操作的机器人系统。

水下机器人主要由机体、动力装置和控制系统三部分组成。

机体通常由壳体、操作器等部分组成,可以分为有线和无线两种模式,有线模式机体通过电缆与地面操纵系统相连,实现远程操控;无线模式水下机器人通过无线电设备与地面相连,实现控制。

动力装置则是水下机器人的动力来源,一般分为空气式、液压式、电动式等多种形式。

而控制系统则是水下机器人的核心,决定了水下机器人的智能控制水平。

第三章:水下机器人的智能控制系统水下机器人的智能控制系统是水下机器人发挥作用的关键所在。

智能控制系统主要由感知模块、决策模块、执行模块三部分组成。

感知模块包括传感器、视觉传感器等硬件系统,能够感知到周围的环境和目标物体的信息,决策模块基于感知模块的信息对目标进行分析并做出决策,执行模块则是根据决策模块的指令实现对水下机器人的控制操作。

第四章:水下机器人智能控制技术的发展趋势随着科技的不断进步和智能技术的不断更新,水下机器人的智能控制也将会不断提升。

其中,自主决策、智能感知和集成化技术是未来发展的趋势。

自主决策技术可以让水下机器人在没有操作员干预的情况下完成任务,实现真正的无人化作业。

智能感知技术则可以让水下机器人能够更好地感知环境和目标物体,实现更高的作业效率。

而集成化技术则可以将多项技术集成到同一系统中,提高整个系统的效率和可靠性。

第五章:总结与展望水下机器人智能控制技术是目前人类面临的重大工程问题,具有很高的创新性、拓展性和应用性。

在不久的未来,随着各种工业和民用机器人的发展,水下机器人的智能控制技术将会越来越普及和应用,成为未来海底资源开发和深海探索的重要工具和手段。

水下机器人的研究与开发

水下机器人的研究与开发

水下机器人的研究与开发随着人类对深海的探索不断深入,水下机器人的发展也变得越来越重要。

水下机器人是一种能够在水下执行多种任务的机器人,可以用于海洋资源的勘探、深海探测、水下考古、海底环境监测和水下作业等多个领域。

本文将对水下机器人的研究与开发进行探讨。

一、水下机器人的类型目前,水下机器人按照其使用环境和功能可分为潜水器、浮游器、水下机械手、水下力量装置、自主水下机器人等几大类。

潜水器一般由舰艇或浮标下放,通过有线或无线遥控从水面操作,适用于深海的勘探、物探、海战、搜救等任务。

浮游器一般由水流、涡流、潮汐、太阳能光伏发电或热发电等驱动,从而获得浮力和速度,适用于海洋资源的监测和勘探。

水下机械手主要是用于水下作业,其结构类似于机器人的手臂,可以进行抓取、剪切、冲洗、钻取等操作。

水下力量装置则可以提供水下海底石油开采和下水道清理等工作所需的能量。

自主水下机器人具有自主控制和定位功能,可以根据人类的指令自由运动和操作,适合深海探测、水下考古等领域。

二、水下机器人的应用目前,水下机器人在多个领域都有广泛的应用。

在海洋资源勘探方面,水下机器人可以通过声纳、探测器等设备获取海洋能源和矿产资源,例如石油、天然气以及金属、矿物和热液等资源。

在深海探测方面,水下机器人可以帮助科学家和研究人员探索深海动植物、地质构造、新物种、新生命以及传说中的海底城市等神秘领域。

在水下考古方面,水下机器人可以帮助学者和研究人员查明历史遗迹,包括沉船、淹没的城市、文化遗址以及失落的宝藏等。

在水下作业方面,水下机器人可以通过机械手、清洗器等完成清洗、抓取、钻孔、取样和测量等作业,为人类提供了更安全、高效、准确的作业手段。

三、水下机器人的发展现状在近年来,世界各国都在致力于水下机器人的研究和开发。

美国、俄罗斯、德国、法国、英国等发达国家都在研制各种先进的水下机器人,这些机器人在性能、精度和技术水平方面都达到了世界领先水平。

同时,中国在水下机器人领域也有所建树。

水下机器人的运动控制技术研究

水下机器人的运动控制技术研究

水下机器人的运动控制技术研究随着科技的不断发展,水下机器人被广泛应用于海洋资源勘探、水下考古、海底工程等领域。

而机器人的运动控制技术则是影响机器人性能的关键因素之一。

本文从航行控制、姿态控制和运动规划三个方面介绍水下机器人运动控制的研究现状和未来方向。

一、航行控制航行控制是水下机器人最基本的运动控制问题。

它主要包括定向航行、路径跟踪和水深控制。

定向航行是水下机器人在没有航线或者外部导航系统的情况下,通过内部状态信息来确定航行方向。

路径跟踪则是根据给定的路径,实现机器人的准确跟随。

近年来,许多学者在水下机器人的航行控制方面进行了深入研究。

其中最常见的方法是使用PID控制器,来实现机器人的轨迹跟踪。

PID控制器可通过测量机器人位置和速度的差异来调节机器人的运动。

同时,还可以通过机器学习、神经网络等方法来改进控制器,以适应不同的水下环境。

二、姿态控制姿态控制是指控制水下机器人在运动过程中的方向、姿态和稳定性。

姿态控制主要包括轴向姿态控制和平面姿态控制。

轴向姿态控制通常采用惯性导航系统和罗盘等传感器来实现。

平面姿态控制则需要运动学模型和反馈控制来实现。

最近的研究表明,基于视觉的姿态控制方法可以更好地适应不同的水下环境。

这种方法使用水下相机和其它传感器来对机器人的位置和方位进行反馈。

与惯性导航和罗盘相比,这种方法更适用于水下环境,因为水下环境存在复杂的梯度、流动和漂浮物。

三、运动规划运动规划是指合理规划水下机器人的运动轨迹。

运动规划通常与航行和姿态控制相结合,以实现高效的水下探索任务。

运动规划可以通过协同控制、路径规划和避障等技术来实现。

协同控制是利用多个机器人之间的互动,让它们协作完成特定任务,例如在水下区域搜寻和获取目标物品。

路径规划是指在不同的运动状态下,规划出最优的路径。

通过考虑机器人自身的限制以及周围环境的影响,可以确定最有效的路径。

避障则是指通过传感器检测前方潜在的障碍物,从而避免机器人与障碍物发生碰撞。

水下机器人控制与感知技术研究

水下机器人控制与感知技术研究

水下机器人控制与感知技术研究随着海洋资源的逐步开发和利用,水下机器人已逐渐成为各个领域的研究热点。

正是由于其适应性和灵活度,让水下机器人成为实现各种任务和探测海洋深处的一种有效工具。

但是,水下机器人的控制与感知技术也成为水下机器人研究中的主要难点之一。

一、水下机器人的控制技术水下机器人的控制技术可分为半自主和完全自主两种类型。

半自主水下机器人需要操作员对其进行控制,而完全自主水下机器人则能够在没有任何外界干扰的情况下自主完成任务。

1.半自主水下机器人的控制技术半自主水下机器人的控制需要一位有经验的操作员,通过使用有线或无线遥控器控制机器人。

通常,水下机器人的控制系统包含了电机控制系统、水声通讯系统、图像伺服系统和姿态控制系统。

电机控制系统主要是控制水下机器人的动力设备;水声通讯系统用于与水下机器人进行通信;图像伺服系统通常由光学和声学传感器组成,用于感知水下环境,并通过控制系统进行处理和分析;姿态控制系统用于控制水下机器人的位置和方向。

2.完全自主水下机器人的控制技术完全自主水下机器人的控制技术更为复杂,通常需要高精度的惯性导航系统(Inertial Navigation System)和定位系统,以及先进的控制算法。

基本上,这种类型的水下机器人可以在自主环境控制下完成任务。

可以通过将水下机器人与其他水下设备进行连接,以实现完全自主操作,如声波传感器、电磁传感器和光学传感器等。

二、水下机器人的感知技术水下机器人能够在水下环境中进行任务的关键在于感知技术,即通过传感器感知水下环境。

感知技术可以提供有关水下环境的信息,例如水深、水温、水质和海底地形等。

1.声波传感器水声传感器是一种感知水下环境的常用手段,可用于测定距离、方向和速度等。

声波传感器通过发射超声波和接收反射回来的信号来执行这些操作。

通过这些传感器收集的数据,可以生成水下地图,以便水下机器人导航。

2.电磁传感器电磁传感器是用于感知水下环境的一种类型的传感器。

水下机器人控制与运动规划研究

水下机器人控制与运动规划研究

水下机器人控制与运动规划研究随着科技的进步,水下机器人在海洋探测、水下工作、航海科学等领域得到了越来越广泛的应用。

水下机器人相较于传统的海洋采样器、浮标等设备,具有灵活、可控、自主等特点,因此成为当前海洋科学和技术研究的重要工具之一。

而要实现水下机器人的自主控制,需要运动规划技术的支持。

一、水下机器人的运动建模在进行机器人的控制之前,需要先对其运动进行建模。

水下机器人的运动建模可以分为运动学模型和动力学模型两个层次。

1. 运动学模型水下机器人的运动学模型是描述机器人运动几何关系的数学模型,主要考虑位置、偏航角、横摆角、俯仰角等因素。

可以利用欧拉角或四元数来描述水下机器人的姿态。

2. 动力学模型水下机器人的动力学模型是基于运动学模型的基础上加入外部作用力和机器人内部的惯性、阻尼等特征而得到的。

水下机器人在水下受到的阻力、液压、摩擦等因素都会影响机器人的动力学特性,最终影响到机器人的自主控制。

二、水下机器人的控制策略为了实现水下机器人的自主控制,需要采用一定的控制策略。

控制策略可以分为PID控制、模糊控制、神经网络控制等多种类型。

目前,PID控制是应用最广泛、最简单实用的一种控制策略。

其原理是通过确定比例系数、积分系数和微分系数,将误差信号转化成控制量,从而保持机器人的状态。

相较于PID控制,模糊控制技术更具有高度的智能化和灵活性。

这种控制策略将输入的误差信号通过语言变量描述,从而模拟人类对场景和环境的理解。

神经网络控制是近年来发展起来的一种控制技术,其特点是具有自适应性和适应水下机器人运动特征的能力。

三、运动规划技术在水下机器人中的应用水下机器人应用中最常见的运动规划问题是路径规划和避障问题。

1.路径规划路径规划问题主要考虑机器人从初始位置到目标位置的最短路径。

在机器人的运动建模和控制策略确定后,我们可以采用搜索算法、优化算法等方法实现路径规划问题。

其中,A*算法是最常用的路径规划算法之一。

2.避障问题水下机器人在海底探测或水下作业时往往会遇到障碍物。

水下机器人的自主控制技术研究

水下机器人的自主控制技术研究

水下机器人的自主控制技术研究一、概述自主控制是指机器人的控制系统能够自主地进行决策和执行任务,不需要人类的直接干预。

水下机器人的自主控制技术是指将其应用到水下环境中的机器人,使其能够更好地进行水下探测和作业。

水下机器人的使用范围很广,可以用于海洋环境的勘测、石油开采、海底管道的维护等领域。

水下机器人的自主控制技术的研发和应用是海洋科学技术的重要组成部分。

二、水下机器人的自主控制技术发展水下机器人的自主控制技术目前还处于发展初期,自主控制的应用范围也比较有限。

在传统的控制方式下,水下机器人需要人类通过遥控器控制它们的运动和进行任务,这种方式虽然可行,但受到了许多因素的限制,如通信距离、水下环境的复杂性等。

因此,发展水下机器人的自主控制技术显得越来越重要。

水下机器人的自主控制技术发展主要集中在以下几个方面:1. 传感技术传感技术是水下机器人自主控制技术的重要组成部分。

目前,水下环境传感技术比较成熟,可以获取到水下环境的各种参数,如水温、盐度、流速、水深等。

这些数据可以帮助机器人做出更好的决策,并更好地适应水下环境。

2. 自主决策系统自主决策系统是指机器人能够自主进行任务安排和决策的系统。

通过对水下环境的感知,机器人可以判断当前环境下最适合的任务,并进行相应的决策。

3. 智能算法智能算法可以帮助水下机器人更好地进行自主控制。

例如,通过使用强化学习算法,机器人可以通过试错来学习最优的控制策略。

三、水下机器人的自主控制技术研究进展目前,水下机器人的自主控制技术研究已经有了不少进展。

1. 中控系统的升级中控系统是指机器人的控制系统,负责机器人的任务分配和控制。

随着技术的进步,中控系统已经得到了升级,可以更好地支持自主控制技术。

2. 构建水下机器人的自主决策系统研究人员已经开始构建适合水下机器人的自主决策系统,这个系统能够根据机器人所处的环境来决定机器人的最佳行动方案。

3. 智能算法在水下机器人的自主控制中的应用智能算法是目前水下机器人的自主控制技术中的一个重要组成部分。

水下机器人的控制技术

水下机器人的控制技术

水下机器人的控制技术水下机器人是指一种可以在水下运行的机器人,通常被用于进行水下勘探、海底工程、海洋科学研究等领域的工作。

控制是水下机器人的重要环节之一,对于水下机器人的性能和功能有着至关重要的影响。

本文将会从水下机器人的控制技术入手,分为三个部分进行讲解:远程控制技术、自主控制技术和自主水下定位技术。

一、远程控制技术远程控制技术是最常见和最基础的水下机器人控制技术,通常被用于控制低代码(所谓的“线控”)水下机器人。

通过遥控器或者计算机,远程操作员可以对水下机器人进行控制,实现各种姿态的调整和运动控制。

这种控制技术的优点在于可靠性高,对于大多数任务来说控制精度足够,而且需要的技术基础较低。

但是,远程控制技术也存在一些明显的缺点:通讯延迟较大,对海洋环境的干扰较强,无法实现自主水下定位等。

二、自主控制技术为了解决远程控制技术的一些缺陷,自主控制技术开始逐渐得到了人们的关注和应用。

自主控制技术的基本思想是让水下机器人具有自我判断、自主规划和自主执行的能力。

这种技术的实现需要使用大量的传感器和计算机软件,以确保机器人能够在复杂环境中正确地感知周围环境和自身的状态,并能做出相应的控制决策。

自主控制技术的优点在于可以自主化、智能化地完成一些任务,具有较高的可干扰性和强适应性等特点。

但是,由于需要大量的传感器装备和高强度的计算机软件,使用成本相对较高,而且需要相对较高的技术基础。

三、自主水下定位技术自主水下定位技术是水下机器人控制技术中最为复杂的一部分,也是实现自主控制技术的关键环节之一。

自主水下定位技术可以分为两类:惯性定位和声学定位。

惯性定位是依靠陀螺仪、加速度计等传感器来实现的,可以较准确地估计水下机器人在水下的位置和运动状态。

而声学定位则是通过测量声波在水中传播的时间和距离来实现的,需要安装一定数量的声呐设备和相关算法。

自主水下定位技术的优点在于可以实现在没有GPS等卫星导航信号的情况下准确地定位自身的位置和运动状态,从而实现更加精准的控制和更高效的运动规划。

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机器人ROBOT1999年 第1期 No.1 1999自主式水下机械手关节速度伺服控制研究4-1.徐国华 蔡 涛 王 滨 摘 要 本文详细论述了电驱动的自主式水下机械手关节速度伺服控制系统的原理及研制.该系统是由电压负反馈加电流正反馈组成的直流脉宽调速系统,其脉宽调制部分以TL494为中心器件,功率放大器为一带阻塞二极管的双极性H型桥式电路.该系统结构简单、体积小、损耗低、调速性能好,非常适用于机器人关节速度伺服控制. 关键词 水下机械手,速度伺服,电流正反馈,PWM,TL494芯片A STUDY ON SPEED SERVO CONTROL OF AUTONOMOUSUNDERWATER MANIPULATOR JOINTXU Guohua CAI Tao(Huazhong University of Science and Technology)WANG Bin(Wuhan University) Abstract In this paper,the principle and design of a new speed servocontrol system of autonomous underwater manipulator(AUM) joint has been discussed with detail .This system is a DC motor speed controller with negative voltage feedback plus positive current feedback. A new bridge DC-DC converter with block diodes, controlled by TL494 ,is applied in this system.It is good for speed servocontrol of common robots or manipulators. Key words AUM,speed servocontrol,positive current feedback,PWM,TL494 chip1 引言 自主式水下机械手同一般水下机械手相比有如下特点. (1) 采用智能控制:其高层具有对环境理解能力和对任务的自动规划能力;低层则对环境进行感知并完成机械手位置、速度和力的伺服控制,实现轨迹跟踪. (2) 受能源供应和机动灵活性要求的限制,机械手高度小型化:要求机械手的尺寸小和重量轻,因此,电机、减速机构、传动机构及传感器采用一体化设计.关节不装测速电机或编码器,只用精密电位器测量角位移;整个控制系统包括电源、计算机控制处理电路和驱动放大电路等都安装在一个小型密封压力容器内;系统设计考虑了电路板尺寸的小型化、系统工作可靠性、抗干能力、减小发热量及充分散热等问题. 我们已经研制出了5功能自主式水下机械手系统,本文就其关节速度伺服控制部分研制进行讨论.2 系统结构和分析2.1 系统结构 关节速度伺服控制系统是5功能自主式水下机械手底层控制中一个环节,5个关节各有一套速度伺服系统,它们的原理是相同的.由于没有直接的速度反馈信号,因此,利用电机电枢的电流信号和电压信号来间接反映电机的负载变化、加速和转速信号,如图1所示,系统采用电枢电压负反馈加电流正反馈来实现速度伺服.图1中,给定量由位置环产生,它与电枢电压负反馈量、电枢电流正反馈量进行比较,产生的偏差经PI校正输入脉宽调制器控制脉宽,再经PWM功放驱动电机,直到反馈量等于给定量,系统处于新的稳定状态.11-1.gif (7334 bytes)图1 系统控制框图2.2 静态误差分析 调节器的输入量:ΔU=U g-U f+U i(1)稳态时,电机电势平衡方程为U d=E+I d R a(2)速度调节器采用PI调节器,稳态时应有U g-U f+U i=0(3)由U f=βU d,U i=αI d 得U g-β(E+I d R a)+αI d=0(4)即U g-βE+(α-βR a)I d=0(5)如果α=βR a(6)则U R=βE=βC e N=C e N(7) (7)式表明电机转速在稳态时取决于给定电压,而与负载电流大小无关,因此,电压负反馈、电流正反馈调速系统,能够抑制电源电压波动及负载扰动等干扰,在理想情况下可实现无静差调速. 但是,通过理论分析可知:当电流正反馈完全补偿了电枢电阻压降时,整个系统处于临界稳定状态,一旦系统参数发生扰动,系统便会进入不稳定状态.实际上11-16.gif ,r a为电枢绕组电阻,11-为电刷与滑环之间接触电阻,11-并不是定值,它随着电刷与滑环接触状态不同而不同,因此,α=βR a难以满足,故电流正反馈只能对负载扰动进行部分补偿,整个系统仍然是有差的.经过试验分析,按连续堵转电流为额定负载考虑,该系统的静差率可达3%.2.3 稳定性分析bytes bytes 电流正反馈在静态体现了对负载扰动的补偿控制,在动态则是一个局部正反馈,它对整个系统稳定性是不利的.当电流正反馈系数选择不合适时,实际的系统会出现严重振荡现象.该系统PI调节器参数及电流正反馈系数是在系统仿真的基础上在线整定的.仿真结果及实际测试的数据表明系统的稳定性及动态性能良好.3 PWM功放主回路设计 为了实现机械手关节的动力润滑、克服静摩擦并改善其低速运行性能,PWM功放主回路采用双极性H型桥式功率放大器.如图2所示,它是一个带阻塞二极管、独立偏压和减小截止偏压的新型功放.此电路简单可靠,本身即可防止上下管直通,故只需两路驱动信号D+和D-.D+和D-采用正零方波,两者严格保持反相,不需考虑死区.T1~T4是作开关用的大功率达林顿三极管,D1~D4起保护和续流作用,D5和D6为阻塞二极管,V D为48V,V S为5V.所采用的电机为直流力矩电机,其峰值堵转电流1.26A,功率61w,因此T1~T4选用达林顿三极管TIP122.这种功率放大器的优点在文献[2、5]中介绍过,但在实际应用中该电路存在发热损耗过大的问题.我们分析了其发热原因,对电路进行了有效的改进.11-2.gif (9425 bytes)图2 主电路图 发热主要由下面几个因素引起: (1) T2、T4由驱动脉冲控制开通和关断,T1、T3根据T2、T4的开通和关断状态自动选择工作状态.例如,当T2受驱动由截止转化为导通时,T1和T2间形成瞬间直通,的管压降使的基射极间受反压而截止.同时,T4因驱动消失,电流减小至零,T3的基射极间反压消失并在V s的作用下从截止转化为导通,最终形成T3管、电机、D5管到T2管的电流回路.由于D5和D6正向电压的建立有一个过程,因此T1、T3的过渡过程不理想,其工作波形如图3所示.很明显过渡过程时间太长,造成T1、T3的损耗很大,发热历害.11-3.gif (6682 bytes)图3 原电路工作波形 (2) 达林顿三极管是两个三极管的复合管,放大倍数β可达1000,如图4所示.由于第一级管子V C高于V E,因此,第二级三极管只可能工作在准饱和状态,不会进入深饱和状态,而第一级很容易进入深饱和,它使整个达林顿管子关断过程变长造成管子的工作波形不理想,发热增大.11-4.gif (7710 bytes)图4 TIP122构成图 (3) 工作中电阻R A及R B上交替流过电流11-10.gif (1710bytes),这个电流不仅增加了T2和T4的负担,而且造成发热. 由于水下密封容器的散热条件不理想,以上问题对电路可靠性及寿命有较大危害,为此我们对主电路进行如下的改进: 首先D5和D6选用高速快恢复管,使得D5和D6的正向电压建立及反偏截止过程加快. 其次,改善T1~T4驱动条件,限制T2、T4的基极驱动电流,使其只比临界饱和的基极电流稍许大一些,以防止电路参数变化时,它的工作点退出饱和区;对于T1和T3,由于它的驱动电流实际上由V S与V D共同形成的,仅仅靠调整R A和R B不能完全解决问题,有时甚至不能保证T1和T3饱和工作,为此在T1和T3基极分别增加如图5所示的贝克钳位电路,使它们只能工作在临界饱和状态.D7、D8亦为快恢复管.11-6.gif (2797bytes)图5 贝克钳位电路 第三,调整电路工作频率使电机附加损耗和三极管动态损耗之和最小.开关频率可以由下式算出:11-12.gif (2443 bytes)(8)其中,t l为电机电磁时间常数,t r、t f分别为电枢电流上升和下降时间,d s为电机启动电流与额定电流之比.按照(8)式计算,该系统的工作频率为2.9KHz.由于机械手是浸在水中工作的,5台电机是分散布置的,因此,它的散热条件比在压力容器内好,所以我们适当降低开关频率,取f ap=2KHz,这一频率仍比电机响应频率高.虽然电枢电流脉动量增大了一些,电流仍是连续的,闭环系统性能还是比较理想,只是电机发热稍严重一些,另外,电枢电流传感器的输出的滤波电路时间常数应加大,使其输出比较平滑,以免反馈输入波动太大,造成T2、T4驱动脉冲波形不理想. 第四,减少独立偏压,V s由5V调整为3V,R A和R B适当增大,保证当电枢两端平均电压最大时T1和T3基极驱动电流比临界饱和电流稍大一些即可. 经过以上改进后,主电路的工作波形如图6所示,显然过渡过程大大改善了,发热明显减少.通过计算机仿真可以发现这种主电路工作时存在瞬间直通过程,有一个较大瞬间直通电流冲击功率管,因此,这种主回路一般只适用于功率在1kVA以下的系统.11-7.gif (8259 bytes)图6 改进电路后工作波形4 PWM脉宽调制控制器 PWM脉宽调制控制器,如图7所示,一般由三角波发生器,电压脉冲变换器,脉冲分配器及功率管驱动器组成.11-8.gif (5656 bytes)图7 PWM脉宽调制框图 三角波电压信号是PWM控制器的调制信号,通过电压一脉冲变换器被PI调制器的输出调制,产生脉冲电压信号.该脉冲信号周期与三角波信号相同,脉宽(占空比)随PI 调节器的输出信号变化,它由脉冲分配器分配产生多路脉冲,经光隔离及驱动器去驱动PWM功率放大器中开关管,使它们按既定的程序导通和截止. 为了使控制电路结构简单,尺寸上小型化,且工作可靠,我们选择了中规模集成PWM芯片TL494,以它为中心设计了如图8所示PWM脉冲调制控制器.11-9.gif (17996 bytes)图8 系统控制器4.1 组件TL494说明 TL494是频率固定的脉宽调制器,主要用于各种开关电源的控制.其内部有一个线性锯齿波发生器,频率可以用两个外部元件R T和C T进行编程.其振荡器的频率可以由下式近似确定:11-13.gif (1698 bytes)(9)输出脉冲宽度调制是通过将电容器上的正锯齿波和两个控制信号进行比较而实现的.TL494在本系统完成PI调节、锯齿波发生和电压-脉冲变换等3部分功能.4.2 PI调节器电路 速度伺服系统的PI调节,由TL494内部的误差放大器和电阻R16、R17及电容C10构成,电阻R17是为防止运算放大器长期工作产生零点漂移而接的.TL494的②端接给定信号、电压反馈信号及电流反馈信号,①端接基准电压V b. TL494芯片的锯齿波在时间轴上方,误差放大器的共模输入范围为-0.3V~V CC-2,输出为单极性的,而速度伺服控制器给定范围为-5V~+5V,为此通过调整V b实现双极性输入,单极性输出的转换.V b由TL494内基准电源经电位器分压获得,V b使得给定电压V g=0时有V d=0(V d为电机两端平均电压),一般V b=1/2U trim,U trim为锯齿波的幅值. 4.3 电压-脉冲变换电路 该部分由TL494两个比较器,触发器及相应门电路完成.驱动功率放大器的脉冲不需要死区,因此,死区控制④端接地,封锁外部死区控制,但内置电压源0.12V仍旧使输出脉冲具有4%的死区.输出控制端13接高电平时,Q1、Q2输出两组脉冲频率11-14.gif(1167 bytes),占空比最大为48%,而且两组脉冲占空比是同相变化,因此不能直接用于驱动功率放大器.将13接地,并将⑨11-17.端并联输出脉冲,则脉冲的频率f=f OSC,脉冲占空比随误差放大器输出变化而变化,最大为96%.4.4 脉冲分配、隔离及驱动电路 脉冲分配器由两个LM311比较器组成,它将TL494的⑨端和11-端输出的单组脉冲,分配为频率、幅值相等,相位相反的两组脉冲. TLP521-2是一个双通道光电隔离器,其开关频率可达80K,它将脉宽调制控制电路与功率放大器主回路隔离,避免了主回路对控制电路的干扰,提高了工作可靠性.TLP521-2由两片40107芯片驱动. 驱动电路由两片40107组成,分别驱动图2功率放大器中的T 2和T 4.导通时,它们提供足够的基极电流,使T 2和T 4快速进入饱和状态;截止时,由电容C 1和C 2提供一个瞬时负压和快速泄流回路,使T 2和T 4基极积累的电荷快速释放,从而使T 2和T 4快速截止.5 电流电压检测及电流保护 电流及电压检测电路如图8所示.LEM模块即霍尔传感器,它利用磁场平衡的原理检测电机电枢电流和电压,精确度高,而且信号输出端与测量端完全电隔离,输出信号波形同被检测的电压、电流波形一致.由于调节器需要的电压、电流反馈是表征主电路电压、电流平均值的,因此对LEM输出必须经过适当滤波,再接入PI调节器输入端.电位器P4和P3是用于调整电流及电压反馈系数的.在仿真基础上在线整定电压反馈系数.过电流工作会造成永磁式力矩电机定子去磁及转子发热过量,因此,在脉宽调节控制器中应考虑过流保护,使电枢电流不超过电机的峰值堵转电流.保护电路如图8所示,由比较器LM311及运算放大器LM356等组成.LM356等组成了绝对值电路,对电流传感器双极性输出信号取绝对值,LM311组成了迟滞比较器,电枢电流的平均值U与设定的高门限值进行比较,当它超过设定值时则LM311输出低电平,通过驱动封锁驱动脉冲,将功率放大器T 2和T 4都截止,保护电机,当U小于设定低门限值后才能输出高电平解除封锁,由脉宽调制控制器控制功率放大器正常工作.6 结束语本文介绍的PWM脉宽调制调速系统,经过实际调试和工作,表明它具有结构简单、工作可靠、体积小、损耗低及性能好等特点,特别适用于机器人关节的速度伺服控制,对一般的调速系统也具有参考价值.4-1. 国防科技“九.五”重点预研项目(16.10.2)研究内容。

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