翼型水下航行器的控制系统设计.pdf
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1、2023 年 10 月上133Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备翼型水下航行器的控制系统设计*戴敬轩,高洁,熊囿铭(南通理工学院电气与能源工程学院,江苏 南通 226002)摘要:【目的】为了使水下机器人在水下正常工作,必须有一个稳定的载体水下航行器。要进行长期、稳定、可靠的水下环境监测,水下航行器应具有一定的灵活性和隐蔽性,并且能够稳定可控。【方法】课题组对比已有的水下航行器性能,参考四旋翼无人机的控制特点,模仿蝠鲼造型,设计了一款翼型水下航行器。建立了动静坐标系,求出了水下航行器的空间运动方程,并针对欠驱动系统进行了船体分析,制作了控制系
2、统结构图,根据控制需要选用PID控制算法进行了适当优化。为了验证设计效果,课题组等比例制作了一个翼型水下航行器,并进行了实验水池和户外的运行测试。【结果】艏摇阶跃响应在10 s时由2 rad旋转至4.8 rad,5 s10 s之间的波动可忽略;PID控制器的阶跃响应能够实现较快速的收敛,大约需要8 s,基本达到了设计要求。【结论】设计的水下航行器具有一定隐蔽性,PID控制方法能对水下航行器实现控制,但PID控制方法对传感器的要求较高,所以运动控制器有进一步提升空间,后期将继续研究。关键词:翼型水下航行器;控制系统;运动建模中图分类号:U664.3 文献标志码:A DOI:10.3969/j.i
3、ssn.1672-3872.2023.19.035海洋牧场建设是改变海洋渔业发展模式的重要探索,也是促进海洋经济发展和海洋生态文明建设的重要举措。要实现海洋牧场建设,对海洋信息的探索与收集成为海洋经济活动中的重中之重1。水下航行器的出现与应用能克服水下观测中无氧、压力、水温等不利因素对水下工作的影响。本文设计的翼型水下航行器则从仿生学的角度,进一步优化了传统水下航行器中普遍存在的体积大、能耗高、灵活度低的问题,在大大缩减水下航行器成本的同时还提高了其灵活性。1 翼型水下航行器的运动建模1.1 坐标系建立想要构建翼型水下航行器的运动模型,首先需明确其在三维空间中的运动情况及运行环境。将此翼型水下
4、航行器的运动控制分为六个自由度方向上的运动,分别为:纵荡(轴向运动)、横荡(横向运动)、垂荡(垂向运动)、横摇(横倾运动)、纵摇(纵倾运动)与艏摇(偏航运动)。并将其当作一个典型刚体建立水下航行器体笛卡尔坐标系b2-4。同时,为研究其在水下环境中的位置与运行状态,特使用z轴垂直指向地心的地固坐标系n与水下航行器体笛卡尔坐标系b组成参考系,如图1所示,方便采用牛顿第二定律来对其进行运动分析。地固坐标系n水下航行器体笛卡尔坐标系byxzO(p,u)(r,w)(q,v)图1地固坐标系与水下航行器体笛卡尔坐标系1.2 建立运动方程由欧拉旋转定理可知,两刚体或坐标系 A 与B之间相对的方位每一次变化都可
5、以用B在A中的旋转来描述。通过描述其相互转换的中间表达式,可以更方便地将水下航行器的运动状态描述出来并建立运动方程。在描述水下航行器姿态信息时,可使用动坐标系原点O在静坐标系上的坐标值和动坐标系相对于静坐标系的三个姿态角:(横摇角)、(纵摇角)与(艏摇角)来表示3-4。在翼型水下航行器的运动描述中,均使用国际通用的SNAME(海军建筑师和船舶工程师协会)符号,如表1所示。在翼型水下航行器的运动分析中,其数学方程是在动坐标系中建立的,假设水下航行器体笛卡尔坐标系b与地固坐标系n的原点重合,那么可以利用基金项目:江苏省高等学校大学生创新创业重点项目“低功耗的面向海洋牧场的智能水下航行器”(2022
6、12056011Z)作者简介:戴敬轩(2000),男,山西长治人,本科,研究方向为自动化。通信作者:高洁(1983),女,江苏南通人,博士研究生,副教授,研究方向为自动控制。1342023 年 10 月上Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备线性变换将其表示出来。设一线性变换矩阵P,水下航行器体笛卡尔坐标系b与地固坐标系n的转换矩阵表达式为POE,而PEO为POE相反的转换矩阵表达式5。两矩阵可以分别表示为:POE=coscossin-coscossinsin-sincoscoscoscoscossin+sinsincossincos+sinco
7、ssin-cossincoscos-sinsinsin (1)对其进行反变换可得:xyz=PEO XYZ (2)解得:PEO=sincoscos-cossincoscossinsin-sincoscossincos+sincossin-cossincossin+sinsincoscoscos-sinsinsin (3)使用表1中六个参数对其在三维空间中的运动进行描述,则静坐标系下的参数为 X Y Z ,而动坐标系下的参数为u v w p q r,经推导可得翼型水下航行器的三维空间六自由度运动方程为6-8:X=ucoscos+v(sinsin-sincoscos)+w(sincos+vcosco
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