| 题名 | 水下滑翔蛇形机器人的步态研究 |
| 作者 | 唐敬阁1,2 |
| 答辩日期 | 2020-11-27 |
| 授予单位 | 中国科学院沈阳自动化研究所 |
| 授予地点 | 沈阳 |
| 导师 | 张艾群 ; 李斌 |
| 关键词 | 水下滑翔蛇形机器人 滑翔运动 混合驱动滑翔运动 多功能伸缩模块 动力学建模和运动控制 |
| 学位名称 | 博士 |
| 其他题名 | Research on Gaits of an Underwater Gliding Snake-like Robot |
| 学位专业 | 机械电子工程 |
| 英文摘要 | 基于仿生学的水下蛇形机器人可以实现多种蛇形游动步态，机动性强，但是续航能力有限；净浮力驱动的水下滑翔机通过滑翔运动可以实现远距离的航行，续航时间较长；因此，把滑翔运动引入到水下蛇形机器人中，可以得到一种新型的水下滑翔蛇形机器人，它结合了水下蛇形机器人和水下滑翔机的优点，可以实现蛇形游动和滑翔运动，解决了水下蛇形机器人续航能力差的问题，满足了水环境监控、水质监测以及军事等方面对机器人续航能力和机动性能的需求。水下滑翔蛇形机器人具有净浮力驱动、多关节驱动以及混合驱动多种模式，在结构设计、建模和运动分析等方面与传统的水下滑翔机和水下蛇形机器人有所差异。由于现有研究中并无适用于水下滑翔蛇形机器人的净浮力驱动系统，也缺乏对多关节和净浮力混合驱动模式的理论基础，因此本文以2017国家重点研发计划“软体、变形体、刚柔耦合新型仿生驱动机构的设计与优化理论”为依托，对水下滑翔蛇形机器人的机构设计与运动控制方法展开研究。具体研究内容包括：(1)实验平台设计与机理验证：为了实现滑翔运动，设计可以实现净浮力调节和俯仰力矩调节的伸缩模块，结合转动模块、机翼和控制系统，完成第一代实验平台的搭建，通过实验证明该机械结构可以实现下沉、上浮和俯仰角调整，验证了平台的有效性。由于一代机器人在防水性能、水动力特性等方面有所不足，因此对结构参数、密封方式、模块结构等方面进行优化，搭建第二代实验平台，通过实验对蛇形游动、净浮力驱动滑翔运动和混合驱动滑翔运动进行了验证。(2)净浮力驱动滑翔运动的动力学建模：本文对净浮力驱动的滑翔运动进行了动力学模型推导。为了降低建模难度，假设转动模块之间没有相对转动，并且把机器人看做一个刚体。基于动量定理和动量矩定理，结合水动力模型的分析，推导滑翔运动的三维动力学模型，考虑期望的滑翔运动在垂直面上，将其简化获得二维动力学模型。水动力系数是仿真分析中的重要参数，通过计算流体力学 (Computational Fluid Dynamics，CFD) 方法，对机器人进行水动力分析，通过曲线拟合获得水动力系数。为了实现期望的滑翔运动，基于二维动力学模型，对系统的平衡状态进行计算分析，获得系统状态量和输入量之间的变化关系，有助于指导期望滑翔运动的选择。(3)净浮力驱动滑翔运动的优化控制：针对滑翔运动的动力学模型，对其在平衡点处进行线性化，通过设计线性二次型调节器 (Linear Quadratic Regulator，LQR)，使闭环系统在平衡点附近渐近稳定。为了提高系统的跟踪精度，增强系统对扰动的鲁棒性，设计线性二次型积分器 (Linear Quadratic Integral Regulator，LQI)。仿真证明LQR和LQI方法均能实现系统的渐近稳定和对输入扰动的抑制，另外LQI对参数扰动具有渐近调节能力。为了充分考虑系统的非线性项，首先对非线性动力学模型进行反馈线性化；然后采用基于趋近律的滑模控制 (Sliding Mode Control，SMC) 方法设计控制器；由于控制器需要所有系统状态量信息，采用无迹卡尔曼滤波器 (Unscented Kalman Filter，UKF) 对难以直接测量的运动速度进行估计。仿真验证了由UKF和SMC构成的闭环系统的有效性。(4)混合滑翔运动的动力学建模与运动控制：本文针对净浮力和转动关节共同驱动的混合滑翔运动展开研究。把混合滑翔运动分解为水平面的蛇形游动和垂直面的滑翔运动，两个平面在相交轴线上的运动是耦合的，因此把滑翔运动在该轴的外力分量叠加到蛇形游动在该轴的外力中，从而获得混合滑翔运动的动力学模型。基于动力学模型，对系统输入和被控状态进行解耦分析，设计PID控制器，实现对运动速度、姿态角和关节角的跟踪控制。考虑由未建模动态和噪声等引起的系统扰动，基于反步控制和自抗扰控制方法设计具有一定抗扰动能力的非线性控制系统 (Nonlinear Control，NC)，仿真验证非线性控制系统相比PID系统具有更好的控制品质。通过设计合适的净浮力驱动系统、研究净浮力驱动滑翔运动以及混合驱动滑翔运动，不仅解决了水下滑翔蛇形机器人现有研究中存在的关键问题，丰富了其研究理论，也为其在水环境中的实际应用提供了理论依据。 |
| 语种 | 中文 |
| 产权排序 | 1 |
| 页码 | 106页 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.sia.cn/handle/173321/27983]  |
| 专题 | 沈阳自动化研究所_机器人学研究室 |
| 作者单位 | 1.中国科学院沈阳自动化研究所 2.中国科学院大学 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 唐敬阁. 水下滑翔蛇形机器人的步态研究[D]. 沈阳. 中国科学院沈阳自动化研究所. 2020. |
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