水下机器人控制系统培训

sin


K1x

/
m,

i1


x

Fz

K3z

mg

/
m


kt
4
i2

cos

cos



K3
z

/
m

g
i1

pcon q sin sin r cos sin / cos




q cos r sin
在新时期，各领域 对水下机器人的应用范 围、功能等提出了更高 的要求：
（1）我国在1986年开始先后研制成功了多艘300米级的水下机器 人ROV。
（2）水下机器人ROV通常在一艘船或者一个位于水面的平台上 操控，为提高效率，需扩大搜索范围。
（3）水下机器人ROV由于操作人员能在水面平台上通过由一系 列功能强大的计算机组成的工作站对水下机器人进行运行与控制。
TUV-拖曳式水下机器人 ROV-遥控式水下机器人
UUV-自主航行水下机器人 AUV-人工智能控制水下机器人
系缆自由运动水下遥控机器人 （tethered free-swimming ROVs）
底部爬行水下遥控机器人 （bottom-crawling ROVs） 结构附着型水下遥控机器人 （structurally reliant ROVs）

ur

u UC cos cos C vr v UC sin C

wr

w UC
sin
cos C


其中， 为流速， 为流向角， 为艏向角。 对时间微分后可得到相对加速度：

ur


u
UCq sin cos C UCr cos sin C vr v UCr cos C

y x 0
欧拉角法： x sin z cos tan x
y cos z sin
x sin z cossec
四元数法：
q0

1 2
q1x q2y q3z
q1

1 2
q0x q3y q2z
因此我们采用常用于飞行器控制方面的 Backstepping自适应控制算法，并做出一些
改进，以适合水下机器人的运动模型。
机体构造与航行原理
仿制四旋翼飞行器的电机布局 采用正反桨的方案
水下机器人整体结构设计
设计理念
框架
浮力配置
采用高分子材 料主要材料,其 密度为0.5千克 每立方米。这 种材料的优势 在于可以进行 车铣切削加工， 从而能打造更 完美的流线型 外观
滤波器的设计

xr
T


xr


0 n2
1 2n


xr xr


0 n2

xr0
二阶滤波器的阻尼比， 为自然频率
从输入 到输出 的传递函数为：
xr (s) xr0 (s)

G(s)

s2

n2 2ns
n2
Backstepping控制器的设计
(T22 (T22
0 0
主 0) 主 0)
主 180
(T22 0)
基于Backstepping的水下机器人控制
采用反步法（Backstepping）、滑模控制 （SlidingMode）、线性二次型最小二乘法 （LQR）、神经网络自适应、反馈线性化 以及 H∞控制等方法对四旋翼飞行器进行 控制。
机械手
作为完成所有核心任务的主要部件之一 气动和电机的驱动的两种方法进行选择
推进器的布局和受力分析
由于推进器重量不轻，其数量 直接影响水下机器人整体的重力 和浮力，而其布局又是影响运动 控制的关键。因此本节着重解决 推进器的布局问题，并对机器人 整体在水下的受力进行简要分析。
推进器的布局
遵循以下两个原则：
主控模块设计
ARM9+ coterx-m3的双核心控制模式， 机器人还采用了STM32F103VET6（coterx-m3内核）作为实时运动控制器
电机驱动模块设计
电路采用四个STD60NF06T4 （NMOS）搭建H桥 采用L6385驱动MOS管，通过与非 门进行逻辑匹配
姿态检测模块设计
使用MPU-6000用于获取三轴加速度和 角速度的变化，解决姿态算法的四要素 和变换的欧拉角；AK8975得到漂移角， 惯性补偿运动。
≈0°
≈2.3A
≤5°
≈2.5A
≤5°
≈3.3A
≈0°
≈2.8A
≤5°
≈2.9A
≤5°
谢谢，各位！
Thanks!
BY YNS
sin
cos
0
0
0 1
动力系统模型
模型建立


x


Fx

K1 x
/
m


kt
4
i2
cos
sin
cos

sin
sin



K1x

/
m,

i1



y

Fy K2 y
/
m


kt
4
i2
sin
sin
cos

cos
因此，强大的水下探测设 备的发展已经成为提高我国 海洋维护和充分利用资源的 重要保障，智能化、多功能 无人水下航行器的研究是大 势所趋。
水下机器人的概念、分类
1、载人水下机器人
非完全自主机器人，需要水面平台上的 人员通过数据传输缆向水下机器人传输控 制信号以完成实时操作
2、遥控式水下机器人 3、自治式水下机器人
水下机器人运动控制方法
水下机器人ROV在水中运 动时进行精确控制存在的
主要影响：
ROV的智能控制方法 神经网络控制 模糊控制
自适应控制
1、任务过程中机械手进行的各种运动 2、任务过程中可能进行的物品收集或释放 3、水下机器人在水下运动过程中引起的周围水流 以及水下本身存在的水流的干扰 4、水动力系数的不确定性


q sin r cos / cos

水下机器人ROV控制系统结构
水下机器人运动控制系统控制模式
自动定深和自动定高
速度控制
定位控制
嵌入式控制系统硬件设计
采用Freescale公司的IMX283芯片作为CPU主控芯片，对控制系统 内ARM最小系统模块、电机驱动模块、姿态检测模块、通信接口模 块进行了模块化设计。
通信接口模块设计
控采用飞思卡尔IMX283芯片，基于ARM926的核， 主要负责串口与水下的基于STM32的姿态解算板进行 通信，以太网通信方式主要考虑到STM32芯片之间的 CAN通信易丢失帧。
基于四元数法的捷联姿态描述
方向余弦法：
Cbn CbnWnbb
0
Wnbb


z
z 0
y x
1、定义位置误差： 1 k11 Vr Vr0 2
2、定义速度误差

0 3
RT
ge3 k22 1 sgn v2 v1 Vr k21
t 0
RT
v2dt

(

g

ZW
w

Zco1 co1
)e3
3、定义变量
3 Eˆk2I
t 0
RT
水下搜救机器人 系统设计
主讲人:陈巍
目录
1、研究的目的和意义 2、水下机器人运动建模 3、水下机器人系统设计方案 4、水下机器人姿态及控制原理 5、仿真验证及分析
研究的目的和意义
我国拥有近18000公里的海 岸线，北起鸭绿江口，南止 于北仑河口。约300万平方公 里的海洋国土，是一个真正 的海洋大国，但对海洋资源 的开发利用尚处于起步阶段。

q2

1 2
q3x q0y q1z

q3

1 2
q2x q1y q0z
基于四元数法的捷联姿态描述
主

主 主 180
(T33
(T33 0
0) 主
0)
主 180 (T33 0
主 0)

主 主 360
1、应尽可能将所放置 的推进器产生推力的三 个轴的合力交汇于同一 点。
2、平移运动时，理论上 推进器的放置最好与壳 体的坐标系保持在同一 条平行线上
水下机器人空间运动受力分析
机器人在水下运动时，有五种力会影响其运动：
1、环境干扰力 2、重力 3、浮力 4、推进器推力 5、托举力
环境干扰力
求得相对流速：
水下机器人运动控制系统设计简述
水下机器人ROV在水面平台操作人员的控制之下，也需 要适当感知周围环境变化，进行选择性自主避障，同时及时反 馈环境信息，以帮助操作者做出正确的决策保证任务更好的完 成。这就需要针对具体的结构框架，进行较为智能的运动控制。 并不存在一套现有的能够满足所有水下机器人ROV运动的控 制系统，其一般需要根据具体任务环境搭载多种不同种类的传 感器，并通过传输线缆将数据传到水面平台，以保证操作者能 及时有效的操控机器人。
重力配置
防水压力舱
材料上选择亚克力为主要材料，主要原因如下： 1、亚克力的硬度高，平均达洛氏硬度值8、9度左右。 2、亚克力的透明度高，透光率在92%以上。 3、亚克力有良好的加工性能。
照明系统
水下机器人上安装了2个射灯，安装在机器人的左右两侧，其 中一个向前照射，主要为了能让机器人看清前方物体；另一个照射 机械手；主要是为了看清前方物体从而方便机械手的抓取。
v2dt
EˆRT
X
r
4、定义姿态角误差 3 k33 N1(r 0r ) N14
5、定义角速度误差
u

B 1

k44 N1T v3 k41
t
0 v4dt Yr



Iˆ1

Iˆ

A

b1 co1

r

静水域下定位控制仿真试验
波浪干扰下深度控制仿真试验
场外试验
环境1 静水域
波浪干扰
运动模式2 上浮下沉 前进后退 左右平移 上浮下沉 前进后退 左右平移
无控制状态
电机电流3
姿态变化4
≈2.5A
≈0°
≈2A
≈10°
≈2.2A
≈10°
≈2.5A
≈0°
≈2.5A
≈17°
≈2.7A
≈17°
运动控制器作用下
电机电流
姿态变化
≈3.1A



wr

w
UCq
cos
cos C


UCr
sin

sin
C
Βιβλιοθήκη Baidu

重力
浮力
推进器推力
坐标系的定义及坐标转换矩阵
cos 0 sin
R

y,



0
1
0

sin 0 cos
cos sin 0
R

z,



完全自主的智能型机器人，其没有线缆的束 缚，运动更为灵活，主要通过水下潜器核心控制 板中预设好的程序进行活动，并能根据实时环境
和任务的变化，进行智能控制。
水下机器人的用途
水下机器人的主要应用
1、安全搜救：检查水下部件结构好坏等。 2、管道检查：海底油管检查等。 3、科研教学：冰层下观察等。 4、水下娱乐：深海潜水器等。 5、考古：包括水下沉船考察等。 6、渔业：网箱监测等。
水下机器人的国内外发展现状及趋势
西方发达国家已经在水下机器人制造领域研究了六七十年的时间，也取得了一定的成绩， 在这期间水下机器人制造技术发展迅速。十九世纪五十年代美国加快了在水下机器人研制方 面的脚步，最终于1960年研制成功了世界上第一个真正意义上的ROV。
我国水下机器人研制起步较慢，大概从二十世纪八十年代开始，由中科院沈阳自动化研究 所、上海交通大学及哈尔滨工程学院牵头率先进行水下机器人的研制工作，并在短短30年里取 得了傲人的成绩，多项水下机器人项目成功下水试验。