AUV水下机器人运动控制系统设计方案(李思乐)
《2024年水下机器人运动控制系统体系结构的研究》范文
《水下机器人运动控制系统体系结构的研究》篇一一、引言随着科技的不断进步，水下机器人运动控制系统已经成为了研究领域的热点之一。
该系统涉及到了多种学科，包括机械工程、电子工程、计算机科学等。
水下机器人运动控制系统体系结构的研究对于提高水下机器人的运动性能、稳定性和可靠性具有重要意义。
本文旨在探讨水下机器人运动控制系统的体系结构，为相关研究提供参考。
二、水下机器人运动控制系统的基本构成水下机器人运动控制系统主要由传感器系统、控制器和执行器三部分组成。
传感器系统负责获取水下机器人的位置、速度、姿态等信息；控制器根据传感器系统提供的信息，对执行器进行控制，以实现水下机器人的运动控制；执行器则负责将控制器的指令转化为机械运动，使水下机器人按照预定的轨迹进行运动。
三、水下机器人运动控制系统体系结构的研究1. 传感器系统传感器系统是水下机器人运动控制系统的关键部分之一。
传感器主要包括声呐、摄像头、多普勒测速仪等。
其中，声呐可以用于探测水下环境中的障碍物和目标；摄像头可以提供实时的视觉信息；多普勒测速仪则可以测量水下机器人的速度和方向。
在体系结构上，传感器系统应具备高精度、高稳定性和高可靠性的特点，以确保水下机器人能够准确地获取环境信息。
2. 控制器控制器是水下机器人运动控制系统的核心部分。
它根据传感器系统提供的信息，对执行器进行控制，以实现水下机器人的运动控制。
控制器的设计应考虑到多种因素，如系统的稳定性、响应速度、鲁棒性等。
在体系结构上，控制器可以采用分层控制、模糊控制、神经网络控制等多种方法。
其中，分层控制可以将控制系统分为多个层次，每个层次负责不同的任务，从而提高系统的稳定性和可靠性；模糊控制和神经网络控制则可以处理复杂的非线性问题，提高系统的鲁棒性。
3. 执行器执行器是水下机器人运动控制系统的最终执行部分。
它根据控制器的指令，将电能或液压能转化为机械能，使水下机器人按照预定的轨迹进行运动。
执行器的设计应考虑到其动力性能、效率、可靠性等因素。
水下机器人的控制系统设计及实现
水下机器人的控制系统设计及实现第一章引言随着科技的进步，水下机器人在海洋勘探、救援、海底管道维护等领域扮演着越来越重要的角色。
而一个高效稳定的控制系统是水下机器人能够顺利完成任务的关键之一。
本文将重点介绍水下机器人控制系统的设计及实现。
第二章水下机器人的控制系统概述水下机器人的控制系统主要由感知模块、数据传输模块、控制器和执行机构四部分组成。
感知模块负责收集环境信息，数据传输模块将信息传输给控制器，控制器根据接收到的信息制定控制策略，并通过执行机构实现运动控制。
第三章感知模块设计与实现感知模块的主要任务是获取水下环境的相关信息，包括水温、水压、水质、水流速度等。
针对不同的任务需求，可以采用不同的传感器，如温度传感器、压力传感器、水质传感器和流速传感器等。
这些传感器将信息传输给控制系统的数据传输模块，为后续的控制策略制定提供准确的数据支持。
第四章数据传输模块设计与实现数据传输模块起着枢纽的作用，将感知模块收集到的信息传输给控制器，并将控制器制定的控制策略传输到执行机构。
传统的通信方式包括有线通信和无线通信，对于水下机器人而言，由于受到水的传输特性的限制，无线通信往往是首选。
可以使用声波、电磁波等方式进行数据传输，同时还需要考虑通信的稳定性和抗干扰能力。
第五章控制器设计与实现控制器是整个系统的核心，其负责根据感知模块和数据传输模块提供的信息制定控制策略，并将策略传输给执行机构。
控制器的设计主要包括传感器数据处理、控制策略制定和控制指令生成等三个方面。
其中，传感器数据处理过程中需要进行数据滤波、数据融合等处理，控制策略制定需要将感知信息与任务要求进行匹配并确定最优策略，控制指令生成则需要根据策略生成具体的指令。
第六章执行机构设计与实现执行机构主要实现控制器制定的控制策略，包括机械臂、推进器等。
机械臂用于完成需要进行物体抓取、搬运等操作的任务，推进器用于水下机器人的运动控制。
执行机构的设计和选型需要考虑机械结构的稳定性、推进力的大小和方向控制等因素。
AUV水下机器人运动控制系统设计(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*名：***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]。
自治水下机器人的非线性控制方法
设备名称
AUV-2000自治水下机器人
设备特点
具有较高的自主性、稳定性和适应性，可用于各 种复杂水下环境中的科研和探测任务。
实验平台
基于AUV-2000搭建的实验平台，包括各种传感 器、导航系统、控制系统和电源系统等。
实验数据采集与处理
数据采集
通过AUV-2000上的传感器采集水下环境数 据，如水温、水深、流速等。
06
结论与展望
研究成果总结
01
02
03
深度控制
高性能导航
实时优化
通过引入非线性反馈，成功实现 了AUV在水下复杂环境中的精确 深度控制。
利用非线性模型预测算法，AUV 在复杂海洋环境中实现了高性能 导航。
通过实时优化算法，AUV在运行 过程中有效应对了各种动态干扰 和环境变化。
研究不足与展望
控制算法的鲁棒性
滑模法仿真分析
滑模法原理
滑模法是一种变结构控制方法，通过设计滑 模面和滑模控制律，使得系统状态能够快速 收敛到预设的滑模面上。
仿真模型建立
根据自治水下机器人的动力学模型，建立相应的滑 模法仿真模型，包括滑模面设计和滑模控制律设计 。
仿真结果分析
通过对比分析加入滑模法控制律前后的仿真 结果，验证滑模法在水下机器人控制中的有 效性。
自治水下机器方人法的非线性控制
汇报人： 日期:
目录
• 引言 • 自治水下机器人模型建立 • 非线性控制方法设计 • 仿真分析与验证 • 实验研究与结果展示 • 结论与展望
01
引言
研究背景与意义
自治水下机器人（AUV）的应用领域不断扩大，如海洋资源 开发、水下考古、海底管道检测等。
针对复杂多变的海洋环境，非线性控制方法对于AUV的运动 控制具有重要意义。
AUV浮力调节系统及深度自适应控制研究的开题报告
AUV浮力调节系统及深度自适应控制研究的开题报告一、研究背景和意义随着海洋资源的日益枯竭和人类对深海开发的要求越来越高，自主水下机器人（AUV）的应用范围日趋广泛。
由于AUV的特殊工作环境和高性能要求，对其浮力调节和深度自适应控制等技术的研究成为了当前AUV技术研究的热点领域。
本研究旨在设计一种AUV浮力调节系统及深度自适应控制方法，通过对AUV的浮力和深度的控制，提高AUV的稳定性和控制精度，从而实现AUV在复杂水下环境下的长时间工作和高效探测。
二、研究内容和计划1. AUV浮力调节系统设计基于氢气浮力和电池功率等参数，设计AUV浮力调节系统，包括氢气供应系统、氢气泄漏检测系统、氢气泄漏处理系统等，并通过数值模拟和试验验证其可行性和稳定性。
2. AUV深度自适应控制方法研究采用自适应控制算法和深度传感器，设计AUV深度自适应控制方法，通过对AUV深度变化的实时监测和控制，提高AUV对海洋环境变化的适应性和稳定性，降低系统能耗，同时改善AUV的运动性能和工作效率。
3. 系统整合和测试对设计的AUV浮力调节系统和深度自适应控制方法进行系统整合和测试，验证其稳定性和控制精度，并在不同环境下测试AUV的工作效率和探测性能。
三、预期成果和意义1. AUV浮力调节系统和深度自适应控制方法的设计和实现，提高AUV在海洋环境中的适应性和稳定性，为其高效运作和探测提供技术支持。
2. AUV浮力调节系统和深度自适应控制方法的成功实现，为深入研究和开拓AUV技术的研究提供有益的参考和经验。
3. 通过本研究的实施，提高我国AUV技术水平，加快深海开发和海洋资源保护的进程，促进我国经济和科技的发展。
小型自主水下机器人运动控制系统设计与实现的开题报告
小型自主水下机器人运动控制系统设计与实现的开题报告一、选题背景与意义随着科技的不断发展，水下机器人的应用越来越广泛。
现代水下机器人分为远程无人水下机器人和近程有人水下机器人两种。
近程有人水下机器人是指搭载有人工控制系统的机器人，由人工遥控实现机器人的运动控制。
但是这种方式存在一些弊端，如操作受限、效率低下、安全隐患等。
因此，自主水下机器人的研究和应用具有重要意义。
本课题旨在设计和实现一种小型自主水下机器人运动控制系统，提高水下机器人的智能化、自主化水平，为水下探测、维修、救援等领域提供技术支持。
二、研究内容本课题的主要研究内容包括以下方面：1. 自主水下机器人运动控制系统的设计与实现；2. 机器人运动控制算法的研究与优化；3. 机器人传感器数据的采集与处理；4. 远程控制系统的设计与实现。
三、研究方法和步骤1. 系统架构设计：设计自主水下机器人的硬件框架和软件架构，确定运动控制系统的组成部分；2. 运动控制算法研究：研究机器人运动控制的算法，根据机器人的运动状态及周围环境信息实时调整机器人的运动轨迹，以实现自主运动；3. 传感器数据采集与处理：选取合适的传感器，采集并处理数据，提取有用信息；4. 远程控制系统设计：设计远程控制系统，实现对机器人的远程遥控和监控。
四、预期目标和研究意义本研究的预期目标是完成小型自主水下机器人运动控制系统的设计与实现，以提高水下机器人的智能化、自主化水平，为水下探测、维修、救援等领域提供技术支持。
本研究的意义在于：1. 探索水下机器人自主运动的方法和技术，提高机器人自主化水平；2. 提高水下机器人在水下领域的应用能力，扩大其应用范围；3. 推动自主水下机器人技术的发展和创新。
五、拟解决的关键问题本研究拟解决的关键问题包括：1. 如何实现机器人的自主运动，如何控制机器人的运动轨迹；2. 如何选择适合水下环境的传感器，如何采集并处理传感器数据；3. 如何设计远程控制系统，实现远程遥控和监控。
水翼法推进的仿生AUV研制及实验
水翼法推进的仿生AUV研制及实验随着科技的不断发展，水下机器人在海洋资源勘探、教育、环境保护等领域发挥着越来越重要的作用。
而仿生学作为一门跨学科综合性的学科，也在水下机器人研究中得到了广泛应用。
本文介绍的是一种采用水翼法推进的仿生AUV，包括其研制过程和实验结果。
一、研制过程1. 设计原理仿生学中的鱼类水平移动是通过振动鳍鳍膜来完成的。
水翼法推进是将鱼类水平移动的原理转化为机械运动，使用机械运动来模拟水动力学，以提高AUV的效率。
水翼法推进采用两片水翼齐刻，倾斜角度相对大的设计，同时采用对称式，使得AUV的灵活性更高。
通过控制两片水翼的相位差，从而达到前后推进和转变航向方向的效果。
2. 实验过程在研发过程中，我们采用仿真软件对AUV进行设计和仿真。
首先，我们建立了AUV三维模型，并将水翼法推进的结构设计进去。
然后，通过改变水翼的相位差和倾斜角度等参数，在仿真软件中进行模拟实验。
最终获得了合适的设计参数。
接下来，我们开始进行实际的试验。
在试验过程中，我们选择了一个足够大的水池，并将AUV放入水池中。
通过遥控，我们控制了AUV的前后推进和左右方向的调整，并测量了其运动速度、转向精度等性能指标。
实验结果表明，我们的水翼法推进AUV可以通过相位差的控制，轻松地实现前后推进和转变方向的操作，而且具有高速度、更好的灵活性和稳定性等优点。
二、实验结果经过实验，我们获得了以下几点成果：1. 水翼法推进的仿生AUV结构设计得到实现。
2. 实现了水翼法推进的简单控制系统。
3. 实验结果表明，水翼法推进的仿生AUV可以实现较高速度、稳定性和优秀的灵活性。
通过本次实验，我们进一步验证了水翼法推进在仿生AUV中的应用优势，这对于进一步推进水下机器人的研发将具有一定的意义。
在水翼法推进的仿生AUV研制及实验中，需要对相关数据进行采集和分析，以评估其性能表现。
以下将列出所涉及到的数据并进行分析。
1.速度数据在实验中，我们通过计时器和距离测量仪器，测量了水翼法推进的仿生AUV运动的速度。
水下机器人及探测观测设备研发生产方案(一)
水下机器人及探测观测设备研发生产方案一、实施背景随着中国海洋经济的持续发展，海洋探测与观测技术的需求日益增长。
目前，我国海洋探测技术装备主要依赖于进口，自主研发能力弱，亟需通过技术突破来满足国家对海洋经济、科研和安全的需求。
因此，从产业结构改革的角度出发，本方案旨在推动中国水下机器人及探测观测设备的自主研发和生产。
二、工作原理1.水下机器人（AUV）工作原理：AUV主要采用电池供电，通过内置的电动机和推进器进行航行。
其核心部件包括防水壳体、内部电路板、传感器、导航设备等。
防水壳体保护机器内部电路板和传感器不受水压和水流的影响；内部电路板控制机器的行为，并收集和处理传感器数据；传感器用于收集环境信息，如水温、水深、水流等；导航设备则负责定位和导航。
2.探测观测设备工作原理：探测观测设备主要采用声纳技术进行海底地形地貌的探测，同时还可以观测海洋生物、水质等信息。
声纳技术利用声波在水中的传播特性，将声波发射到水中，然后根据声波的反射情况来判断目标物的位置、大小和形状。
观测设备则通过内置的高清相机和光谱分析仪来获取海洋生物和水质信息。
三、实施计划步骤1.技术研究：开展AUV和探测观测设备的关键技术研究，包括防水壳体材料、电动机及推进器设计、传感器技术、导航设备技术、声纳技术等。
2.实验室测试：在实验室环境中对AUV和探测观测设备进行测试，验证其功能和性能是否达到预期目标。
3.现场试验：选择合适的海域进行现场试验，验证AUV和探测观测设备在实际环境中的运行情况和数据收集能力。
4.产业化生产：经过上述步骤后，开始进行产业化生产，形成具有自主知识产权的水下机器人和探测观测设备系列产品。
5.市场推广：通过宣传和推广活动，提高产品的知名度和市场占有率。
四、适用范围本方案适用于海洋科研、海洋资源开发、海洋环境保护、海洋安全等领域。
具体应用包括但不限于：海洋地质调查、海底矿产资源勘探、海洋生态研究、海洋环境监测与保护、海洋工程勘察与设计、海洋救援与打捞等。
水下机器人控制系统设计与实现
水下机器人控制系统设计与实现水下机器人是一种可以在水下进行各种任务的机器人，它的应用范围涉及到海洋、水下探测等多个领域。
而水下机器人的重要部分之一就是控制系统。
控制系统是指对水下机器人的运动、传感器以及其他功能进行控制和监测的系统。
在本文中，我们将探讨水下机器人控制系统的设计和实现。
一、控制系统的基础控制系统是由多个组成部分构成的。
这些部分包括感知器件、执行器、控制器和通信模块。
感知器件用于感知机器人周围环境的信息，例如温度、水流、压力、深度、水质等。
执行器是通过控制信号实现机器人动作的设备。
控制器是控制执行器行为的设备。
通信模块是机器人和外部设备之间进行数据传输的设备。
二、控制系统的设计在控制系统的设计过程中，需要确定机器人的应用场景和任务。
例如，如果机器人是用于搜救任务，那么它需要能够在水下环境中快速移动和与其他设备进行通信。
在此基础上，需要为机器人的各个部分选择合适的硬件设备，并且设计合适的软件架构。
在硬件选择上，需要考虑以下因素：1.抗水压性能：机器人需要能够承受水的压力。
2.电源系统：机器人需要有足够的电力供应。
3.感知器件的准确度和稳定性：感知器件需要准确地感知机器人周围环境的信息。
4.执行器的速度和精度：执行器需要快速准确地完成任务。
在软件设计上，需要考虑以下因素：1.编程语言：需要选择一种合适的编程语言进行开发。
2.算法选择：需要根据机器人的任务选择合适的控制算法。
3.多任务处理：需要通过多任务处理来同时控制机器人的不同部分。
三、控制系统的实现在实现控制系统的过程中，需要进行以下步骤：1.硬件搭建：需要将所选硬件设备和感知器件、执行器等进行连接。
2.软件开发：需要根据设计方案进行软件编写，实现机器人的各个功能。
3.系统测试：需要对系统进行测试，验证是否符合设计要求。
在测试过程中，需要逐步调整机器人的各个部分，以达到更好的工作效果。
例如，通过调整控制算法来提高机器人的定位精度等。
四、控制系统的应用水下机器人的控制系统应用广泛。
水下机器人的运动控制原理与路径规划
水下机器人的运动控制原理与路径规划水下机器人是一种具备在水下环境中自主运动和执行任务的智能机械装置。
在水下探测、海洋科学研究和水下施工等领域，水下机器人发挥着重要的作用。
为了实现水下机器人的高效运动和准确控制，需要运动控制原理和路径规划的支持。
本文将介绍水下机器人的运动控制原理以及路径规划的相关技术。
一、运动控制原理水下机器人的运动控制原理主要包括传感器获取环境信息、控制模块处理信息、执行器实现运动三个步骤。
1. 传感器获取环境信息水下机器人需要通过一系列传感器获取水下环境的信息，如深度、温度、水质等。
其中，水下机器人最常用的传感器是声纳传感器、水下摄像头和惯性导航系统。
声纳传感器可以判断障碍物的距离和方向，水下摄像头可以记录和传输实时的视觉信息，惯性导航系统可以获取水下机器人的位置和姿态。
2. 控制模块处理信息水下机器人的控制模块负责处理传感器获取的信息，并生成相应的控制信号。
控制模块通常由嵌入式微处理器和控制算法组成。
嵌入式微处理器负责接收和解析传感器信号，控制算法则根据传感器信息和预设任务进行决策，生成对应的控制信号。
3. 执行器实现运动执行器是控制信息实际转化为机械运动的部件。
水下机器人常用的执行器有推进器、转向舵和机械臂等。
推进器通过产生推进力来推动水下机器人的移动，转向舵用于调整机器人的航向和姿态，机械臂则用于完成各种操作任务。
二、路径规划技术路径规划是指在给定起始点和目标点的情况下，通过合理的路径选择来实现机器人的自主导航。
在水下环境中，由于具有多种约束条件和复杂的障碍物，路径规划面临更大的挑战。
1. 网格地图法网格地图法是一种常用的路径规划方法，将水下环境划分为一系列规则的网格，每个网格代表一种状态。
然后通过搜索算法（如A*算法）在网格地图上进行路径搜索，找到起始点到目标点的最优路径。
2. 遗传算法遗传算法是一种模拟进化过程的搜索算法，通过模拟优胜劣汰的过程逐渐优化路径。
在水下机器人的路径规划中，遗传算法可以考虑多个因素，如路径长度、路径安全性和任务完成时间等。
水下机器人的控制系统设计
水下机器人的控制系统设计第一章：水下机器人的概述随着科技的不断进步，水下机器人已经成为了现代海洋技术研究的重要工具之一。
水下机器人是指一种可以在水下运作的无人驾驶机器人，通过专业的控制系统与计算机技术，能够完成包括水下探索、勘察、数据采集、救援等任务的工具。
水下机器人通常分为两大类：纯水下机器人和混合型水下机器人。
纯水下机器人通常由指令控制的机械臂、探测传感器等模块组成，它们可以在更深的海底进行工作。
而混合型水下机器人则由水下机器人和潜水器环节组成，适用于深度较浅的水域，也可在水下环境和地球表面之间切换。
本文主要讨论水下机器人的控制系统设计。
第二章：水下机器人的控制系统设计的要求要设计好一个稳定可靠的水下机器人控制系统，需要考虑以下要求：1.可靠性：由于水下环境复杂多变，水下机器人的控制系统需要具备高度的可靠性和稳定性，以确保在恶劣的环境下也能正常工作。
2.精度：水下环境特殊，遇到的问题与陆地环境差异较大，水下机器人控制系统需要具备足够的精度，以应对各种复杂的水下环境情况。
3.安全性：水下机器人的控制系统需要具备良好的安全性，以避免机器人在执行任务过程中产生意外事故。
4.联网性：水下机器人的长时间作业需要联网控制，这就要求水下机器人的控制系统需要具备良好的通讯能力，能够随时接收任务指令并传回实时数据。
5.低能耗：水下机器人作业时间一般较长，而水下机器人无法充电，这就对水下机器人的能耗有很高要求，需要尽量减少能耗，考虑到电池寿命。
第三章：水下机器人的控制系统设计方案为了满足上述要求，水下机器人控制系统的设计需要综合考虑多种技术手段。
主要包括以下方面：1.机器人控制软件设计：机器人控制软件应具备可编程性和模块化设计，以使其可按不同任务要求进行编程设置。
2.水下机器人的能源设计：应用节能型水下机器人的结构设计，尽量减少能耗，使机器人能够有效地在海底长时间作业。
3. 水下机器人传感器设计：水下环境的特殊性使得水下机器人必须配备各种传感器，如水压传感器、温度传感器、湿度传感器等等，以满足各种任务的需要。
AUV水下对接装置控制系统设计
文章编号：1005-9865（2019）02-0127-11AUV 水下对接装置控制系统设计李默竹1，郑荣1，魏奥博1，2，梁洪光1，国婧倩1，2，吕厚权1，2（1．中国科学院沈阳自动化研究所，辽宁沈阳110016；2．中国科学院大学，北京100049）摘要：自主式水下机器人（Autonomous Underwater Vehicle ，简称AUV ）在航行使命结束后需要回收至甲板或陆地进行补给和维护。
为避免重复布放回收所带来的不便，根据锥形导向式回收原理，针对水下对接装置及其控制系统进行了设计。
水下对接装置控制系统由水面控制终端，水下控制系统和水下外部设备等部分组成，使用超短基线引导AUV 进入指定区域，在对接过程中依靠行程开关和无线电反馈的信息判断AUV 的相对位置及状态，并通过驱动相应的液压机构对AUV 姿态进行校正和固定，进而完成对接过程。
水下对接装置在千岛湖进行了试验，在吊装水下7m 的情况下实现了AUV 的水下对接，并利用湿插拔电连接器完成了对AUV 的有线充电和数据上传。
试验验证了对接方案的可行性以及控制系统的稳定性，为将来AUV 能够进行长时间、不间断航行提供了可能。
关键词：自主式水下机器人；水下对接装置；控制系统；水下充电；对接控制流程中图分类号：TP23文献标志码：ADOI ：10．16483/j．issn．1005-9865．2019．02．015收稿日期：2018-07-23基金项目：中国科学院先导科技专项（XDA13030294）作者简介：李默竹（1985-），男，辽宁沈阳人，助理研究员，主要从事AUV 及水下观测系统的设计和研究。
E-mail ：limozhu@sia．cn Design of a control system for AUV docking deviceLI Mozhu 1，ZHENG Ｒong 1，WEI Aobo 1，2，LIANG Hongguang 1，GUO Jingqian 1，2，LYU Houquan 1，2（1．Shenyang Institute of Automation ，Chinese Academy of Sciences ，Shenyang 110016，China ；2．University of Chinese Academy of Sciences ，Beijing 100049，China ）Abstract ：Autonomous underwater vehicle （AUV ）needs to be recovered for battery recharging and data downloads when the mission is completed．In order to reduce project cost during the repeated deployment and recovery process ，a funnel-type AUV docking device with control system is studied and designed．The control system is composed of land-based control terminal ，underwater control system and external equipments．The docking device can estimate AUV ’s position and state by feedback signal from limit switches and wireless ，and then drives the hydraulic mechanism to complete the docking process automatically．A lake trial is carried out in Hangzhou．At 7meters depth of the water ，the docking device accomplishes the task such as ultra-short baseline navigation ，wireless command control ，recharging the lead-acid batteries of the AUV ，and communicating with AUV by ＲS485protocol．The lake trial proves the reasonability and validity of the control system and lays the groundwork for the long-term ，uninterrupted and long-distance navigation of the AUV in the future．Keywords ：AUV ；docking device ；control system ；underwater charging ；docking control flow随着“建设海洋强国”宏伟目标的提出，我国对海洋资源探测和海洋权益维护等方面的关注日益增加。
水下机器人控制系统的设计与实现
水下机器人控制系统的设计与实现随着科技的不断发展，水下机器人成为了探索海底、进行深海勘探的一种必备工具。
而水下机器人控制系统则是保障水下机器人顺利进行任务的核心。
本文将介绍水下机器人控制系统的设计与实现。
一、系统架构设计水下机器人控制系统的架构设计包括硬件、软件两部分。
硬件部分主要包括传感器、执行机构、控制器等，软件部分则包括控制算法、操作界面等。
1.传感器选择水下机器人的传感器需要具有一定的防水性能和高精度，同时要能够适应不同深度下的环境变化。
水下机器人常用的传感器有：（1）水压传感器：能够测量水下机器人在不同深度下的压强，为水下机器人控制提供数据支持。
（2）陀螺仪、加速度计、磁力计：组合使用，能够测量水下机器人的航向、姿态、加速度等基本参数。
（3）相机：能够拍摄水下环境的照片和视频。
2.执行机构选择水下机器人的执行机构需要具有较强的抗腐蚀性、高可靠性和精准性。
常用的执行机构有电机、液压缸、气动缸等。
3.控制器选型控制器是水下机器人控制系统的核心部件，需优先考虑防水性能，同时还要具备良好的数据处理和传输能力，以及强大的实时控制能力。
常用的控制器有PLC、单片机、嵌入式系统等。
4.控制算法设计控制算法的设计是决定水下机器人性能的重要因素。
由于水下机器人的复杂性，控制算法的设计需要考虑到航行、姿态控制、深度控制等方面的要求，并且要适应不同的海底情况。
常用的控制算法有PID控制、模糊控制等。
5.操作界面设计操作界面的设计是用户与系统进行交互的重要方式，需要保证界面简洁明了，同时还要具备易操作性和实用性。
二、系统实现方法系统实现方法主要包括传感器、执行机构、控制器等硬件的选购和连接，控制算法的编写以及操作界面的设计。
下面以一个自主水下机器人为例，具体阐述系统实现方法：（1）传感器选择：选用水压传感器、陀螺仪、加速度计、磁力计等传感器。
（2）执行机构选择：选用电机驱动舵机、水下推进器等执行机构。
（3）控制器选型：选用高性能防水工业计算机作为控制器。
水下机器人运动控制算法设计
水下机器人运动控制算法设计一、引言水下机器人是一种具有广泛应用前景的机械设备，它可以在水下环境中执行各种任务。
水下机器人的运动控制算法是其核心技术之一，直接影响着机器人在水下环境中的动态特性和性能表现。
因此，本文将针对水下机器人运动控制算法进行深入研究和探讨，旨在为相关研究者提供有益的参考和借鉴意见。
二、水下机器人运动学分析在对水下机器人运动控制技术进行深入研究前，我们首先需要对水下机器人的运动学进行分析。
水下机器人的运动学包括位置、速度、加速度和转向等方面的分析，其中位置、速度和加速度是机器人运动控制中最为基础的三个方面。
1. 位置分析水下机器人的位置可以通过水下定位系统或控制器上的位置传感器进行测量和监控。
常见的位置传感器有GPS、激光雷达、声纳等。
此外，也可以通过图像识别技术对机器人的位置进行估测。
2. 速度分析水下机器人的速度可以根据位置分析求得，也可以通过运动控制器中的速度传感器来进行测量。
常见的速度传感器有激光速率传感器、流速测量仪和航向稳健仪等。
3. 加速度分析水下机器人的加速度主要侧重于水平加速度和垂直加速度。
水平加速度可通过速度计进行推算，而垂直加速度可以通过机器人的深度控制系统进行监控。
三、水下机器人运动控制在对水下机器人进行运动控制时，主要需要控制机器人的转向和速度。
这里我们将探讨两种运动控制技术，分别为精确控制和模糊控制。
1. 精确控制精确控制是一种传统的运动控制技术，在水下机器人中也有广泛应用。
其基本原理是通过精确的位置、速度和加速度控制机器人的运动状态。
然而，精确控制技术对参数的敏感度较高，需要进行复杂的参数调整。
此外，在水下环境中，往往会受到流体阻力和水流干扰等因素的影响，影响精确控制的效果。
2. 模糊控制模糊控制是一种适用于非线性系统的控制技术，具有较高的适应性和智能化的优点。
模糊控制技术可以把机器人控制系统简化为一套语言规则，通过对输入输出关系的学习和推理，实现对机器人运动控制的智能化处理。
AUV水下机器人运动控制系统设计
AUV水下机器人运动控制系统设计
摘要
本文提出了一种新颖的AUV水下机器人运动控制系统，该系统包括电压驱动、电流控制和位置控制三部分。
电压驱动系统由逆变器获得电压，通过调速器可以控制电机输出的扭矩，从而实现电机的调速。
电流控制系统的目的是实现电机的高精确度控制，从而实现机器人的准确运动。
位置控制系统的目的是实现机器人航行控制，系统采用两套位姿传感器，分别测量机器人在水中的位移和水面的位置，以实现机器人水下的精确移动。
本系统将有助于改善AUV机器人的航行性能和操作性能。
关键词：AUV机器人，运动控制，电压驱动，电流控制，位置控制
1引言
水下机器人是由可编程和机械部件组成的机器，用于在水下环境中运行，在研究、探测、监控和维护水下环境中发挥着重要作用[1]。
随着科技的发展，AUV水下机器人应用的范围越来越广泛，但AUV的操作性能和航行性能仍然有待改善。
正确有效的运动控制可以提高AUV水下机器人的操作性能和航行性能，从而更好地服务于海洋研究和海洋环境监测。
2电压驱动
电压驱动是AUV水下机器人运动控制系统的核心，它可以控制电机转速实现运动控制。
水下机器人的控制系统设计
水下机器人的控制系统设计随着科技的不断发展，水下机器人在各个领域中得到了广泛的应用。
然而，在这些机器人的面世之前，人们只能通过深潜或者使用潜水员来进行水下探测和作业，这种方式不仅成本高昂，而且危险性极大。
水下机器人的出现不仅减少了人员伤亡风险，还大大提高了作业效率。
而其中最关键的一点就是水下机器人的控制系统设计。
1. 水下机器人的结构和原理水下机器人一般由机械臂、控制系统、传感器等部分组成。
其中，控制系统是最核心的部分，也是整个机器人的指挥中心。
在控制系统中，主要包括控制器、执行器和传感器三部分。
其中，控制器负责接收传感器信息，判断当前环境，同时通过对执行器的控制完成机器人的动作。
2. 水下机器人控制系统设计的主要考虑因素在水下机器人控制系统设计之前，需要先了解影响控制系统设计的主要因素。
(1) 环境因素水下环境是非常恶劣的，水压、水温、水流等因素都对机器人的控制产生很大影响。
(2) 功能因素控制系统需要满足的功能要求包括：准确性、可靠性、稳定性、灵活性和可扩展性。
(3) 技术因素包括控制器、传感器、执行器选型，通讯协议选择等。
3. 水下机器人控制系统的设计思路和实现过程水下机器人的控制系统设计是一个非常综合的过程，需要考虑到机械设计、电子技术、计算机技术等多个方面的知识。
因此，在设计过程中需要采用系统性的思路，包括需求分析、功能设计、技术选型和系统实现等阶段。
(1) 需求分析阶段需求分析是整个控制系统设计的起点。
如何满足作业的需求，同时考虑到环境的因素，是这一阶段的核心问题。
(2) 功能设计阶段在这一阶段需要确认控制系统需要满足的主要功能和性能指标。
如控制系统需要对机器人进行水下巡航和数据采集，同时对机器人进行目标识别控制。
(3) 技术选型阶段在技术选型阶段，需要确定控制系统所需要的硬件和软件技术。
包括控制器的选择、传感器、执行器等。
(4) 系统实现阶段在这一阶段，需要将硬件和软件技术相结合，完成整个控制系统的实现。
AUV在海流环境中的滑模变结构控制应用技术研究的开题报告
AUV在海流环境中的滑模变结构控制应用技术研究的开题报告开题报告题目：AUV在海流环境中的滑模变结构控制应用技术研究一、选题的背景和意义作为一种近年来发展迅速的自主水下机器人，自主潜水器(AUV)的应用越来越广泛。
AUV的控制是保证其在复杂环境下执行任务的关键，而其中最核心的就是导航与姿态控制。
其中姿态控制还需要考虑随着AUV在水中移动而产生的海流等外界环境因素。
传统的线性控制器在非线性系统中效果并不好，会产生较大误差，因此需要采用更为先进的控制方法。
滑模变结构控制方法是一种针对非线性系统特点而研究出的控制方法，能够有效地解决滞后、非线性等问题，被广泛应用于无人机、机器人等领域，但在AUV中的应用还比较少。
因此，本文拟深入研究AUV在海流环境中的滑模变结构控制应用技术，以此提高其控制精度和稳定性，为更好地服务于海底探测、水下勘探等领域提供支持。
二、研究内容和方法1、AUV的控制模型研究与建立在进行AUV控制模型的研究与建立时，首先需要对传感器获取的数据和AUV本身的动态特性进行分析，建立其控制模型。
本文将基于AUV在海流环境中的运动特性和控制需求，以物理学原理为基础，结合数学方法建立相应的非线性动力学控制模型。
2、基于滑模变结构控制理论进行AUV控制设计针对AUV在海流环境中的运动特性，在控制器设计时本文将采用滑模变结构控制理论。
该理论克服了传统线性控制方法在滞后、非线性系统中的应用瓶颈，对于AUV的控制有明显的优势。
本文将结合AUV的运动特性，应用不同控制方法进行对比分析，并选取最优方案进行AUV控制器设计。
3、AUV在海流环境中的验证实验设计为了验证控制器的有效性和可行性，本文将进行AUV实验验证，通过模拟海流环境和不同海底任务环境下的AUV控制，检验控制器设计的精度、稳定性及鲁棒性等方面的性能。
实验结果将进行数据分析和综合评估，为AUV在实际场景中的应用提供支持。
三、研究成果预期1、深入研究自主潜水器AUV的控制原理，在非线性环境下有效解决控制问题2、结合AUV运动特性，以滑模变结构控制理论为基础，设计了良好的AUV控制器，提高了控制质量和鲁棒性3、对所设计的控制方法进行验证实验，得到实验结果，提高了AUV在海底探测、水下勘探等领域中的应用性四、参考文献[1] 刘家寅,王洪岩,谢瑶.自主潜水器AUV运动学模型与控制策略比较[J].现代电子技术,2014(4):68-70.[2] 李宁,齐玲玲,张望.基于滑模控制策略的自主潜水器姿态控制研究[J].航空兵器,2017,35(6):18-21.[3] 郑希斌,李泉.非线性系统滑模变结构控制[M].科学出版社,2006.[4] 晋淼,韩传碧,高佳奇.无人机飞行控制系统设计[M].北京：科学出版社,2018.[5] Yun Ding, Chuanwei Li, Tony Dodd. Nonlinear Dynamic Inversion Control of Underwater Vehicles in Ocean Currents[J].Proceedings of the 2007 American Control Conference, 2007:176-181.。
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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******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］Tυ1=［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。
图2-4组合导航系统总体设计框图2.3驱动方式的选用几乎所有的水下机器人都采用螺旋桨式推进器。
80% 以上采用电机推进器，其余采用油压电机推进器。
水下机器人要实现水下空间的六维（六自由度）运动，即三个平移运动：推进（Surge，沿x 轴）、升沉（Heave，沿z 轴）、横移（Sway，沿y 轴）和三个回转运动：转首（Yaw，绕z 轴）、纵倾（Pitch，绕y 轴）、横摇（Roll，绕x 轴）。
为使水下机器人在所有六维上的运动都是可控的，须适当选用推进器的数量和给予不同的布置。
根据本水下机器人的使用目的，不需要使用六维运动，只要三个自由度即可，即推进、升沉和转首。
我们选用了五个直流电机推进器，分别布置在机器人本体的水平左右两侧和后部部垂直处，左右推进器完成推进和转首两个动作，垂推进器完成升沉动作。
2.4推力器的组成推力器是由电机和螺旋桨组成的，水下机器人用的电机需要密封。
密封主要有两种方式，一种是机械密封，另一种采用磁耦合器。
机械密封相对而言比较简单，但因密封处要承受海水的压力，其特性因摩擦力的增加而变坏。
对电机来说，则表现为电机的空载电流增大（有时会增大1-3倍），这样的电机用于推力器，会使启动电压升高，从而加重推力器非线性。
为了改善这种情况可以采用充油电机，由于电机内部充油，因而耐水压的性能得到极大的改善，而且电机因密封而引起的摩擦力要小得多，其空载电流的增加也很小，故可以忽略不计。
采用磁耦合器就是利用电磁力传递扭矩，这样减速器和螺旋桨之间没有直接的机械联系。
依据磁场传递扭矩，密封问题很容易解决，只要用非导磁材料将电机、减速器包围起来就解决了动密封难题。
采用磁耦合器，推力器的效率略有下降，但性能基本上不受影响。
电机的转速与螺旋桨的转速不一定完全匹配，为了得到较高的效率，需要采用减速器，有时为了减小尺寸，采用高速电机（例如采用10000转/分以上的高速电机），这时也需要减速器。
这样组成的推力器如图2-5所示。
图2-5 推力器组成图2-6 螺旋桨与推进器示意图考虑带定子的导管桨在无限宽广的静止流体域中工作的情况。
设流体为理想且不可压缩。
如图2-6所示，建立固定于导管上的直角坐标系O-xyz，以螺旋桨桨叶参考线与桨轴交点为原点，x 轴与桨轴中心线重合，指向桨的下游，y 轴垂直向上，z 轴方向由右手法则确定。
推进器工作时，导管、定子与桨共同沿x 轴负方向以匀速V0 前进，同时桨叶绕x 轴以等角速度Ω旋转[5]。
2.5 能源供给方式的选用其能源供给方式有两种选择：有缆方式或无缆方式，对于无缆水下机器人能源供给一般在机器人舱体安装蓄电池或是带燃油发电机组，这就造成水下机器人本体体积庞大、超重，此外蓄电池所储存的能力有限，且受电池质量、充电工艺等因素的影响。
根据实际应用环境，此机器人工作所要求的行走距离不是很大，故设计时采用了有缆远程遥控方式，这样既可减小本体尺寸、重量，又保证了控制操作的有效性和可靠性，当设备出现不可预料的故障时可通过缆线撤回安全区域，不至于丢失。
3控制系统设计3.1水下机器人控制系统设计主要包含主处理器核心模块、电机驱动模块、传感器模块和视频切换模块等，实现对机器人推进器的动力驱动、上下位机的通讯以及视频图像的切换等。
水下机器人本体的左右两边各安装2个主推进器，分别由2 个直流电机通过联动轴与螺旋桨相连，实现水下机器人前进、后退、左转、右转运动；垂直方向安装有3个垂推进器，实现机器人上升、下沉运动。
前变焦摄像机安装有垂直方向一维云台，避免摄像死区。
在机器人电子舱内安装有深度计、温度计和数字式电子罗盘传感器，满足实际作业环境需要，为检修人员提供了丰富的作业环境信息。
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该控制器可以在超低功耗模式下工作，对环境和人体的辐射小，可靠性能好，加强电干扰运行不受影响，适应工业级的运行环境[6]。
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总线型结构的所有节点都共享一个公共的物理通道(即总线)。
具有延迟小、速度快、易扩展、单个节点故障影响小的优点。
本系统即采用总线型拓扑结构, 系统采用单片机作为控制单元完成机器人控制系统中的各种控制任务(如传感器控制、电机驱动器控制和通信模块控制等)。