基于Arduino的小型浅水水下机器人研制

基于Arduino的小型浅水水下机器人研制

论文摘要

随着人类社会的不断发展,海洋资源愈发得到人们的重视,水下机器人得到了广阔的应用前景,针对小型ROV在近海平台等浅水环境顶流作业能力差、运动控制难的问题,研制开发了基于Arduino小型浅水作业ROV精灵号,可进行浅海和湖泊环境的观察取样等工作。首先确定了总体的设计方案,提出了具体的应用技术参数,设计了耐压结构的形式、材料、密封和防腐措施,完成了耐压结构的设计和校核,并使用仿真工具进行了性能验证。提出以Arduino mega 2560作为核心控制器的控制系统架构,以Arduino为核心,进行水面操作终端和水下控制终端的搭建,并通过串口通信方式建立上下系统通信,并完成图像信息的传输。研究水下机器人系统坐标系,建立了精灵号ROV的动力学模型,求解艏向运动传递函数,设计了PID控制器、模糊PID控制器、单输入模糊PID控制器进行艏向运动控制,并对三种算法在Simulink环境下进行了系统仿真,相比于其他两种控制器,单输入模糊PID算法响应更加迅速,超调量小,且系统稳定。最后,通过实验对耐压结构进行了打压测试,实验结果表明所设计电子舱、电源舱等密封结构满足使用压力,通过水池实验验证了以Arduino为核心的精灵号浅水ROV控制系统设计的可行性,同时验证了推力矢量合成的实际效果,验证了单输入模糊PID算法对机器人艏向运动有明显效果。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  •   1.1 课题来源及研究背景
  •     1.1.1 课题来源
  •     1.1.2 研究背景
  •   1.2 水下机器人国内外研究现状
  •     1.2.1 国外研究现状
  •     1.2.2 国内研究现状
  •   1.3 ROV控制方法的研究进展
  •   1.4 本文主要研究内容
  • 第二章 ROV本体结构设计
  •   2.1 ROV总体方案
  •   2.2 载体框架设计
  •   2.3 耐压结构设计
  •     2.3.1 电源舱结构设计
  •     2.3.2 电子舱结构设计
  •     2.3.3 摄像机密封舱设计
  •   2.4 推进器方案设计
  •   2.5 本章小结
  • 第三章 控制系统硬件设计
  •   3.1 ROV控制系统总体设计
  •   3.2 配电系统设计
  •   3.3 水上控制系统设计
  •   3.4 水下控制系统设计
  •     3.4.1 控制板设计
  •     3.4.2 传感器数据采集
  •   3.5 信号通信系统设计
  •     3.5.1 控制信号通信设计
  •     3.5.2 图像信息通信设计
  •   3.6 本章小结
  • 第四章 动力学建模与控制方法研究
  •   4.1 引言
  •   4.2 水下机器人运动数学模型研究
  •     4.2.1 坐标系的选取与转换
  •     4.2.2 空间运动受力分析
  •     4.2.3 水下机器人六自由度运动方程
  •     4.2.4 艏向运动方程
  •   4.3 水下机器人PID控制器设计
  •     4.3.1 PID控制原理
  •   4.4 水下机器人模糊PID控制
  •     4.4.1 模糊控制原理
  •     4.4.2 模糊PID控制器的设计
  •   4.5 水下机器人单输入模糊PID控制器的设计
  •     4.5.1 符号距离法
  •     4.5.2 单输入模糊PID控制器的设计
  •     4.5.3 三种控制器性能仿真对比
  •   4.6 本章小结
  • 第五章 实验研究
  •   5.1 压力实验
  •   5.2 水池实验
  •     5.2.1 实验设计
  •     5.2.2 实验结果与分析
  •   5.3 泳池实验
  •     5.3.1 多自由度运动实验
  •     5.3.2 艏向运动实验
  •   5.4 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 发表文章及研究成果
  • 致谢
  • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 范涛

    导师: 崔晓华,王克宽

    关键词: 水下机器人,控制系统,单输入,模糊控制

    来源: 东北石油大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,信息科技

    专业: 海洋学,自动化技术

    单位: 东北石油大学

    基金: 中国石油天然气集团公司科学研究与技术开发项目“海洋油气勘探开发工程关键技术”(项目编号:2016A-1006)子课题“海洋工程装备关键技术”

    分类号: TP242;P715

    DOI: 10.26995/d.cnki.gdqsc.2019.000425

    总页数: 62

    文件大小: 8974K

    下载量: 346

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