基于模糊控制的水下机器人运动控制研究.pdf
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1、基于模糊控制的水下机器人运动控制研究徐燕铭徐营杰宋泽于志民75基于模糊控制的水下机器人运动控制研究徐燕铭名徐营杰宋泽1手于志民1(1.天津海运职业学院天津300350;2.天津贝斯德海洋工程技术有限公司基金项目:天津市津南区科技计划项目(2 0 2 10 10 9)摘要:水下机器人受水流波动等外在因素的影响和干扰,需要利用控制系统对推进器进行不断地调节,以控制其在水下的姿态保持稳定。文章提出一种基于模糊控制理论的水下机器人下潜与悬停控制方法,通过核心硬件架构,通过水下机器人的自我感测系统进而感测运动中的姿态角度、水深位置等变化,控制水下机器人能快速保持平稳姿态,并进行垂直上浮、下潜和悬停等动作
2、。关键词:水下机器人模糊控制嵌入式系统姿态0引言水下机器人主要分为两种,即水下遥控载具ROV(Remotely Operated Vehicle,)及自主式无人水下载具 AUV(Autonomous Underwater Vehicle)。水下遥控载具ROV需要通过一条电缆脐带与水面上的工作母船进行联结并获得所需的电力和数据。自主式无人水下载具AUV分为两种,其中之一也需有缆线与岸上或工作母船联结,联结主要有两个任务,一是对水下机器人携带的电池充电,二是接收岸基信号以便执行水下任务。AUV本身拥有推进能力,可以利用携带的感测组件及工具,独立完成水中观测及采样工作,能够进行长期、靠近现场的量测以
3、及精准的深度定位。所以,在目前的工业场景应用中,自主式无人水下载具越来越受到关注。随着研究的深入,精准作业及可靠性成为了水下机器人研究的重点。但是由于水下环境复杂,能见度差,使得水下机器人控制器因干扰而出现难以控制的现象,进而导致控制系统失灵,出现失控的现象。文献!设计一种常规的模糊控制器,并将这种常规的模糊控制器与线性PID控制器相结合,组成了模糊PID复合控制器,在论文中的仿真实验和外场实验中,取得了较好的结果;文献 2 构建了某ROV的运动控制的基础数学方程,并设计了基于模糊控制理论的水下机器人的控制器,对比了模糊PID和传统PID控制的效果;文献 3 对某水下机器收稿日期:2 0 2
4、3-0 2-18作者简介:徐燕铭,(19 8 7-),男,江苏省人,副教授,主要研究方向:船舶柴油机振动与润滑。天津3 0 0 450)人建立了六自由度空间运动方程,进行了详细的空间运动受力分析,将PID控制和模糊理论相结合,通过仿真技术得到运动控制效果图,并进行场外实验,验证取得了良好的控制效果。本文结合前人对水下机器人和模糊控制的相关工作研究,提出了一种基于模糊控制理论的水下机器人下潜与悬停控制方法,通过核心硬件架构,并通过水下机器人的自我感测系统感测姿态角度、水深位置等变化,从而控制水下机器人能快速保持平稳姿态。1水下机器人整体架构本文研究的水下机器人,由天津海运职业学院和天津贝斯德船舶
5、与海洋工程有限公司联合开发,使用嵌入式系统myRIO作为控制单元的核心架构。其系统方块图,如图1所示。水下机器人的主体,是采用具有水密功能的亚克力水箱制作而成,该水箱内部装有作为推进装置的直流马达、驱动电路、感测系统和作为主要控制器的嵌入式系统;嵌入式系统通过信号线、传输线、电源线与监控系统和其他子系统联结,经由远程监控系统的人机接口,监控水下机器人的状态。监控计算机的人机界面,是利用LabVIEW软件设计,其主要目的是用于水下机器人的实时监测及控制;通过监控端控制嵌入式系统驱动左右两边的推进器,使水下机器人能够依照控制参数输出所需的扭力和转速,并控制水下机器人上浮、下潜或在设定的水深位置悬停
6、。感测装置系统分别搭载嵌入式系统内建的三轴加速器、挂载摄像机和压力传感器。三轴加速器76天津航海2 0 2 3 年第2 期人机界面感测三度空间三个方向的加速矢量,用以计算水下机器人姿态角度变化量,嵌入式系统myRIO依据读取姿态角度的改变,经由模糊控制器调整左右推水密箱进器的输出量大小;摄像机通过人机接口清楚采取水中影像,有利于操作员控制水下机器人的状态;嵌入式系统通过压力传感器信号换算,测算水下机器人所在位置的水底深度。推进器系统测量系统推进电机加速器摄像机压力机图1水下机器人系统方块图模糊控制器模糊规则库输入模糊推理模糊化机制!模糊变数2模糊控制理论2.1模糊控制器原理模糊控制系统主要包含
7、四个部分,分别为模糊化、模糊推理、模糊规则库、模糊判决。基本架构,如图2 所示。模糊判决受控系统模糊变数输出图2 模糊控制基本架构图一般传统控制器的输入通常是确定数值而非模糊值,藉由数学模型来描述控制器和受控制系统,控制器的输出必然也是确定的数值,才能对受控对象产生控制力。但是模糊控制器是利用模糊逻辑的思考模式来设计控制器,以口语化的控制规则为主体来描述一个事件控制法则。当系统由传感器把明确的数值输入在模糊控制器中,必须把输入的确定数值经过模糊化的处理为一个模糊数值,再通过模糊控制器的模糊推理,转化为控制器可以接受的模糊输入量,经由模糊规则库中所设计的控制法则,仿真人类思考做决策模式,产生一个
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