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水下航行器对接系统及其运动控制研究
| 论文题名： | 水下航行器对接系统及其运动控制研究 |
| 关键词： | 水下航行器;水下对接系统;动力学模型;运动控制;海洋勘探 |
| 摘要： | 人类资源压力的不断增大促使人类向海洋进发，寻找海洋中保存尚好的资源。海洋开发的需求推动着水下航行器的发展。通过提升航行器的性能，人类能开发探测更深广的海域。续航能力直接影响到航行器的工作范围，对于实现远洋海域勘探起到决定性的作用。传统的航行器水上回收方式花费时间较长，且在吊至甲板的作业中容易因撞击造成机械损伤。水下对接技术使航行器能在海面下工作时直接进行充电作业和数据交换，减少了维护耗时，延长航行器有效工作时间，并增强了航行器维护操作的隐蔽性。 本文设计了一种依靠机械臂对航行器进行导向的水下对接系统，在Solidworks中建立了样机机械模型，研究了样机执行水下对接的运动方案，分析了系统动力学及控制方法，并进行了仿真分析。以上述工作为基础，对所设计的系统进行了加工、制造以及初步调试。 为了得到有效的控制指令以控制对接机械臂的捕捉运动，文中通过DH法建模，对逆运动学求解得到其末端目标位置与机械臂各关节角度之间的关系。运动学逆解的多解问题对使得关节运动处于不可控状态，因此采用最小行程原则将逆解优化，筛选两位置间运动量最小的最优解作为控制系统的关节角度输入值，使运动学逆解与目标位置坐标构成函数关系，为后续动力学分析建立了基础。这样的方案能使运动机构能量消耗最小，并令对接机械臂执行机构以较短的时间移动到预定位置。为了更有效地筛选出符合最短行程的逆解，采用密度聚类算法，在逆运动学的角度样本中搜索归类，选取相距关节角度差最小的关节运动方案。 借助拉格朗日法对水下对接系统进行了动力学分析，依据对接系统的工作环境特性，完成了动力学计算中惯量项、重力项、以及哥氏力项的推导，对各关节刚体速度和加速度关系进行了推导，建立了水下对接系统的动力学模型，得出了各关节角度与驱动力矩、角速度、角加速度之间的函数表达式。 通过ADAMS-MATLAB平台进行控制系统的联合仿真，模拟了单关节独立运动和多关节联动的PID控制的信号反馈，基于PID控制在对接系统模型中所体现的缺陷，设计了相应的模糊自整定PID控制算法以改善控制系统的性能，并比较了在水下对接系统的控制模型下PID控制与模糊自整定PID控制效果上的优劣，以验证所设计的控制方法对改善性能的实现。 完成了水下对接系统样机的加工、制造、实装，以及岸上实验平台的设计与搭建，实行了对整机进行了运动调试，各执行机构输出正常，动作平稳，能有效地执行预定的动作。 |
| 作者： | 朱秋晨 |
| 专业： | 轮机工程 |
| 导师： | 唐国元 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 华中科技大学 |
| 学位年度： | 2017 |
| 正文语种： | 中文 |
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