水下機器人嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計和運動控制仿真-

ROV在水底的前進和轉(zhuǎn)向運動通過控制兩個螺旋槳推進器來實現(xiàn)。給定參數(shù)為航速和航向角,輸出為兩個推進器的推力。這里航向角控制器選擇PID調(diào)節(jié)器。只有兩個推進器,推力分配算法簡單。

5 仿真研究為了驗證水下探測ROV設(shè)計的合理性,進行了仿真研究。5.1 水下機器人模型建立水下機器人6自由度運動模型的各個自由度彼此之間存在耦合,由于水下探測ROV常在低速下運動,可以將其運動分解為為水平面運動(包括狀態(tài)變量

)和垂直面運動(包括狀態(tài)變量

)兩部分,并且認為這兩個自由度之間不存在耦合關(guān)系。結(jié)合本文研究對象的情況,設(shè)計方案中ROV的外形為左右、前后對稱,且重力、浮力分布可使其保持水平狀態(tài),無橫傾或縱傾。其在水平面運動過程中,ROV滿足條件:

此外,由于其只沿縱向平行安裝兩個水平推進器,推進器的作用只限于產(chǎn)生水下機器人的進退和轉(zhuǎn)艏運動。當左右推進器產(chǎn)生相同推力矢量時可引起進退運動,而當兩者產(chǎn)生大小或方向不同的推力時則可引起轉(zhuǎn)艏運動。根據(jù)上述假設(shè)和條件可以得到ROV在水平面內(nèi)的簡化模型:

式中:

——包含附加質(zhì)量的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量;

—沿

方向的流體阻力中線性項和非線性項;

——繞Z軸轉(zhuǎn)動方向的流體阻力的線性項和非線性項;

——為推進器產(chǎn)生的X軸向力和繞Z軸的轉(zhuǎn)艏力矩。ROV采用壓載水艙進行垂直面的位置控制,其在垂直面的模型可以簡化為:

式中:

——包含附加質(zhì)量的質(zhì)量;

——沿Z方向流體阻力的線性項和非線性項;

——壓載水艙產(chǎn)生的垂向作用力。5.2 仿真驗證

仿真情況設(shè)定為:ROV由初始靜止狀態(tài)開始運動。為實現(xiàn)直航,需保持左右推進器輸出相同大小和方向的推力。不同推力情況下ROV的速度響應(yīng)曲線如圖4所示。由速度響應(yīng)曲線可以發(fā)現(xiàn),其速度經(jīng)過一段時間的增加后最終保持在一定的數(shù)值,此時推力與阻力達到動態(tài)平衡,ROV作勻速直線航行。令

表示ROV在大地坐標系下的位置和姿態(tài)。圖5為ROV由初態(tài)

控制ROV垂直下潛到10米處懸停。ROV橫傾角

的控制是通過調(diào)節(jié)特種ROV左右兩個浮力調(diào)節(jié)艙的不同的注、排水量來產(chǎn)生左右兩個浮力調(diào)節(jié)艙的浮力差,即產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動的偏傾力矩。其仿真結(jié)果如下圖6所示。從仿真實驗結(jié)果看出所設(shè)計的ROV深度協(xié)調(diào)控制器達到了預期的控制效果。

6 結(jié)束語本文介紹了開架式水下探測機器人的結(jié)構(gòu)、傳感器系統(tǒng),基于AT91RM9200處理器設(shè)計了ROV嵌入式控制器。建立了ROV的數(shù)學模型,提出了ROV垂直面協(xié)調(diào)運動控制的方法,并進行了深度和橫傾角協(xié)調(diào)控制仿真。仿真實驗證明控制器設(shè)計的有效性。

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