基于可旋转推进器的水下机器人运动控制研究.pdf

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1、第1期机械设计与制造2012年1蜀MachineryDesign&Manufacture155文章编号：1001—3997(2012)Ol一0155—03基于可旋转推进器的水下机器人运动控制研究木凌波1,2李硕曾俊宝(’中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室，沈阳110016)(z中国科学院研究生院，北京100049)ResearchonmotioncontroIofAUVbasedonrotatablethrusterLINGBo．LIShuo．ZENGJun—bao(StateKeyLaboratoryofRobotics，ShenyangInstituteofAutom

2、ation，Shenyang110016，China)(GraduateSchoolofChineseAcademyofScience，Beijing100049，China)l【摘要】通过对水下机器人在运动过程中的受力以及力矩分析，水下机器人采用可旋转推进器，；}所以要实现六自由度的运动只需要4个推进器，采用推进器布局。建立了基于可旋转推进器的水下机《}器人六自由度运动方程，并有针对性的对六自由度运动方程进行了问x-x-化。水下机器人运动控制的分析；l离不开动力学模型，所以对其进行受力和力矩分析是必要的。在简化的运动方程的基础上设计了运动i；控制系统，并使用Matlab对其进行仿真验

3、证。《}关键词：可旋转推进器；水下机器人；能耗；运动控制{l【Abstract]ThroughanalyzingtheforceandtorqueonAuVinmotionprocess，rotatablethrusteris2adoptedforAUVandfottrthrustersshalfbeappliedtorealize6D0Fmotion．Thenthe6一D0Fkineticse一2}quationofAUVisestablishedbasedonrotatablethruster．whichwillbesimplifiedspecidly．Asitisknown《；k

4、ineticsmodeZisrequiredtoanalyzemotioncontrolD厂theAUV，whichbearingforceandtorqueisthereforeilnecessarytoanalyze．Basedonthesimpledmotionequationthemotioncontrolsystemisdesignedwhichj}6e，nzed肌deredby，z．{；Keywords：Rotatablethruster；AUV；Energyconsumption；Motioncontrol；中图分类号：TH16文献标识码：A．1—日J，_U·—吾j—我们

5、在设计水下机器人特别是AUV的时候，能耗是不得不考虑的问题。推进系统又是所有设备中消耗功率最大的设备之一，所以提高推进器的工作效率和降低能耗是延长水下作业时间的一个有效手段。单方向固定布置的推进器无法实现两个自由度以上的运动控制，如果将两个推进器固定在可旋转推进器的支架上，通过推进器的转动可以增加其运动控制能力。利用两个可旋转的推进器来实现水下机器人进退、升沉、横摇和转向四个自由图1可旋转推进器布局示意图度的运动控制。如此配置推进器减少了推进器的数量，必然会降低推进系统的功耗，延长作业时间，改善其水下作业性能，为搭载更多的测量设备奠定基础。2推进器布局及坐标系建立水下机器人采用可旋转推

6、进器，所以要实现六自由度的运动只需要4个推进器，采用的推进器布局，如图1所示。两侧的两个可旋转推进器1和2与中心轴对称安装。可旋转推进器的旋转图2大地坐标系图3载体坐标系是靠内部一个伺服电机来控制，所以两侧的推进器是同步旋转3水下机器人受力和力矩分析的；前后两个槽道推进器3和4与横向中心轴对称安装。为讨论水下机器人运动控制的分析离不开动力学模型，所以对其水下机器人动力学问题，建立大地坐标系，如图2所示。一般的大进行受力和力矩分析是必要的。地坐标系都取北东坐标系。为讨论的方便，还建立了载体坐标系，如图3所示。在建立坐标系的基础上对水下机器人的运动状态做3．1重力和浮力的合力以及合力矩如下

7、说明：=【，，，，，)=(“，，W，P，q，r)水下机器人在运动时受到重力和自身浮力的作用，载体坐式中：(，，，，)—机器人的位移向量；，0，机器人的横滚角、俯标系建立在重心上，假设载体的浮心在z轴上为(0，0，)，所以仰角、艏向角。载体坐标系下的二者的合力以及合力矩可表示为：★来稿13期：2011-03—02★基金项目：机器人国家重点实验室资助项目(RLZ200810)156凌波等：基于可旋转推进器的水下机器人运动控制研究第1期一(一，)si