波动鳍推进水下作业机器人运动控制方法研究

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题名	波动鳍推进水下作业机器人运动控制方法研究
作者	王睿1,2
答辩日期	2018-05-24
授予单位	中国科学院大学
授予地点	北京
导师	王硕
关键词	水下作业机器人波动推进运动控制路径规划路径跟踪控制悬停控制
英文摘要	波动鳍推进水下作业机器人的研究旨在为集低噪声、环境友好、高运动稳定性以及高抗扰性等特性于一体的新一代水下机器人的设计与控制提供重要的理论基础和技术支撑。本文针对波动鳍推进水下作业机器人的模块化系统设计、基本运动控制、路径跟踪控制以及悬停控制等方面展开研究工作，论文的主要内容如下：一、以黑魔鬼刀鱼为仿生对象，设计了一种能实现多种波动模式的波动鳍水下推进器。基于长鳍波动运动学分析，设计开发了其驱动系统。波动鳍水下推进器具有独立的供电和控制组件，可作为标准推进模块安装在水下运动平台上。通过长鳍波动控制实验和水下游动实验验证了该波动鳍水下推进器系统设计的有效性。二、针对波动鳍推进水下作业机器人基本运动控制问题展开研究。基于波动鳍水下推进器构建了波动鳍推进水下作业机器人，并建立了波动鳍推进水下作业机器人系统模型。通过控制波动鳍推进水下作业机器人两侧长鳍行波参数，实现了进退、转向、浮潜等多模态运动以及航向和深度闭环运动控制，实验结果显示波动鳍推进水下作业机器人具有良好的运动能力。三、针对波动鳍推进水下作业机器人平面路径跟踪控制问题，提出一种基于反步法的路径跟踪控制方法。基于视线导航原理给出当前需要趋向的视线点，并根据视线点建立跟踪误差微分方程。基于反步法设计了非线性控制器，可输出水下作业机器人趋于视线点所需的推进力和力矩控制量，并基于李雅普诺夫稳定性判据证明了控制器全局渐进稳定性。通过仿真和实验对提出的路径跟踪控制方法进行了验证。四、针对波动鳍推进水下作业机器人三维螺旋线路径规划与跟踪控制问题展开研究，提出一种路径规划和路径跟踪协调控制框架。路径规划器根据目标位置及约束条件规划三维螺旋线路径。路径跟踪协调控制器根据水下作业机器人的当前位姿及规划路径实时协调游速、航向和深度三个控制通道设定值，并通过三个自抗扰控制器分别对游速、航向及深度进行闭环控制。实验结果验证了提出的路径规划和路径跟踪协调控制框架的有效性，实现了波动鳍推进水下作业机器人水下三维螺旋线路径跟踪控制。五、针对波动鳍推进水下作业机器人自主悬停控制问题，提出一种基于视觉伺服的悬停控制方法。该方法通过双目视觉图像处理获取目标图像特征并进行目标位置估计，基于图像雅可比矩阵将图像特征误差及距离误差映射为保持悬停位姿所需的期望运动速度，利用跟踪微分器对水下作业机器人运动速度进行估计，并设计速度控制器使水下作业机器人达到期望运动速度。数值仿真和实验结果显示所提悬停控制方法能够控制波动鳍推进水下作业机器人实现自主悬停。
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.ia.ac.cn/handle/173211/21015]
专题	毕业生_博士学位论文
作者单位	1.中国科学院大学 2.中国科学院自动化研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	王睿. 波动鳍推进水下作业机器人运动控制方法研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2018.