水下航行器對接系統(tǒng)及其運動控制研究.pdf

1、人類資源壓力的不斷增大促使人類向海洋進發(fā)，尋找海洋中保存尚好的資源。海洋開發(fā)的需求推動著水下航行器的發(fā)展。通過提升航行器的性能，人類能開發(fā)探測更深廣的海域。續(xù)航能力直接影響到航行器的工作范圍，對于實現(xiàn)遠(yuǎn)洋海域勘探起到?jīng)Q定性的作用。傳統(tǒng)的航行器水上回收方式花費時間較長，且在吊至甲板的作業(yè)中容易因撞擊造成機械損傷。水下對接技術(shù)使航行器能在海面下工作時直接進行充電作業(yè)和數(shù)據(jù)交換，減少了維護耗時，延長航行器有效工作時間，并增強了航行器維護操作的

2、隱蔽性。
　　本文設(shè)計了一種依靠機械臂對航行器進行導(dǎo)向的水下對接系統(tǒng)，在Solidworks中建立了樣機機械模型，研究了樣機執(zhí)行水下對接的運動方案，分析了系統(tǒng)動力學(xué)及控制方法，并進行了仿真分析。以上述工作為基礎(chǔ)，對所設(shè)計的系統(tǒng)進行了加工、制造以及初步調(diào)試。
　　為了得到有效的控制指令以控制對接機械臂的捕捉運動，文中通過DH法建模，對逆運動學(xué)求解得到其末端目標(biāo)位置與機械臂各關(guān)節(jié)角度之間的關(guān)系。運動學(xué)逆解的多解問題對使得關(guān)節(jié)運動

3、處于不可控狀態(tài)，因此采用最小行程原則將逆解優(yōu)化，篩選兩位置間運動量最小的最優(yōu)解作為控制系統(tǒng)的關(guān)節(jié)角度輸入值，使運動學(xué)逆解與目標(biāo)位置坐標(biāo)構(gòu)成函數(shù)關(guān)系，為后續(xù)動力學(xué)分析建立了基礎(chǔ)。這樣的方案能使運動機構(gòu)能量消耗最小，并令對接機械臂執(zhí)行機構(gòu)以較短的時間移動到預(yù)定位置。為了更有效地篩選出符合最短行程的逆解，采用密度聚類算法，在逆運動學(xué)的角度樣本中搜索歸類，選取相距關(guān)節(jié)角度差最小的關(guān)節(jié)運動方案。
　　借助拉格朗日法對水下對接系統(tǒng)進行了動力學(xué)

4、分析，依據(jù)對接系統(tǒng)的工作環(huán)境特性，完成了動力學(xué)計算中慣量項、重力項、以及哥氏力項的推導(dǎo)，對各關(guān)節(jié)剛體速度和加速度關(guān)系進行了推導(dǎo)，建立了水下對接系統(tǒng)的動力學(xué)模型，得出了各關(guān)節(jié)角度與驅(qū)動力矩、角速度、角加速度之間的函數(shù)表達式。
　　通過ADAMS-MATLAB平臺進行控制系統(tǒng)的聯(lián)合仿真，模擬了單關(guān)節(jié)獨立運動和多關(guān)節(jié)聯(lián)動的PID控制的信號反饋，基于PID控制在對接系統(tǒng)模型中所體現(xiàn)的缺陷，設(shè)計了相應(yīng)的模糊自整定PID控制算法以改善控制系統(tǒng)