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《北京邮电大学》 2011年
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一种新型水下球形机器人的若干关键技术研究

兰晓娟  
【摘要】:水下球形机器人(Spherical Underwater Vehicles)作为一类结构特殊的水下机器人,具有耐压性能好、流体动力学计算无耦合、各向流体动力参数相等等优点,在水下考古探险、海底地貌观测与水产养殖等领域具有广泛的应用前景。本论文设计了一种可在水下灵活转向的新型单推进器水下球形机器人BYSQ-2型,并对其结构设计与优化、动力学建模、姿态控制、轨迹跟踪等关键问题进行了深入分析与实验研究。 主要研究内容如下: (1)通过对国内外现有水下球形机器人构型的分析研究,提出一种依靠内部配重转动机构改变姿态的三驱动水下球形机器人的构型方案;采用凯恩方程研究在配重转动的过程中这种新构型水下球形机器人的运动特性,并通过对运动特性的分析验证所提出的构型方案的合理性与实用性。 (2)假设机器人组成构件均为刚体,对水下球形机器人进行静力学与动力学分析,其中静力学部分包括浮力与重力,动力学部分包括推进力、科里奥利向心力、流体动力和内部作用力;综合受力分析结果,建立水下机器人的动力学模型。 (3)根据构型方案设计水下球形机器人的机械结构,在确定推进器的型号之后,根据海军部系数原则采用遗传算法对导管内径尺寸进行优化设计,并根据整体平衡原则进行结构对称性设计与配重质量优化设计;将控制系统分为5个部分分别设计,其中主控制板主要用于直流无刷伺服电机的控制,控制指令采用无线方式传送;样机制作完成后,通过水池实验测试其性能。 (4)通过流体力学计算、建模仿真和实验测量的方法分析导管中水力损失的百分比,得到引起水力损失的关键因素,并提出管口形状改进方法;建立待辨识流体动力参数的状态方程和观测方程,然后采集样机实验数据,采用自适应遗传算法对流体动力参数进行估计 (5)分析姿态调节系统的欠驱动性与耦合性,并建立其动力学模型,利用坐标变换与控制输入变换对模型进行标准型处理,然后设计反演滑模变结构控制律;由于姿态模型中的系统之间存在耦合作用,需要引入耦合作用的控制量,并构造第二层滑动平面,仿真与实验研究验证了所设计的反演分层滑模控制律的有效性。 (6)将水下球形机器人的运动分解为垂直面子系统与水平面子系统,然后分别研究轨迹跟踪控制方法。建立垂直面运动子系统的动力学模型,然后采用神经网络反演控制方法设计轨迹跟踪控制律,并通过仿真与实验对所设计的控制律进行验证;根据陀螺仪近似理论,研究水平面直线轨迹保持方法,重复实验证明水下球形机器人绕长轴的高速旋转可以有效的减弱水流干扰对水平面运动子系统航向角的影响。
【学位授予单位】:北京邮电大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TP242

【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 高剑;赵宁宁;徐德民;严卫生;;水下航行器轴向运动的自适应积分反演跟踪控制[J];兵工学报;2008年03期
2 战强,贾川,马晓辉,陈明;一种球形移动机器人的运动性能分析[J];北京航空航天大学学报;2005年07期
3 栾楠;;机器人逆动力学神经网络建模[J];电机与控制学报;2008年02期
4 李敏;刘和平;;水下机器人作业平衡机构的滑模控制[J];电气传动;2009年08期
5 张铭钧,韩金华,李洪志;基于神经网络的水下机器人航向角跟踪控制[J];哈尔滨工程大学学报;1999年06期
6 陈晔;王德石;;鱼雷非线性姿态系统的自适应反演控制[J];海军工程大学学报;2008年04期
7 秦元庆,孙德宝,李宁,马强;基于粒子群算法的移动机器人路径规划[J];机器人;2004年03期
8 高建树,邢志伟,张宏波;基于观测器的水下机器人神经网络自适应控制[J];机器人;2004年06期
9 张铭钧;高萍;徐建安;;基于神经网络的自治水下机器人广义预测控制[J];机器人;2008年01期
10 熊华胜;边信黔;施小成;;自治水下机器人深度的鲁棒H_∞控制仿真[J];计算机仿真;2007年03期
中国博士学位论文全文数据库 前4条
1 张克勤;滑模变结构控制理论及其在倒立摆系统中的应用研究[D];浙江大学;2003年
2 韩冰;欠驱动船舶非线性控制研究[D];哈尔滨工程大学;2004年
3 沈猛;轮式移动机器人导航控制与路径规划研究[D];西北工业大学;2006年
4 刘大亮;一种球形移动机器人的运动分析与控制技术的研究[D];北京邮电大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 黄毅;矢量推进水下航行器的建模和控制[D];西北工业大学;2006年
2 孔祥宣;自主式双轮动态平衡移动机器人的控制系统研究[D];上海交通大学;2007年
3 王青山;AUV在海流环境中的滑模变结构控制应用技术研究[D];哈尔滨工程大学;2007年
4 朱计华;水下机器人近水面运动的变结构控制技术研究[D];哈尔滨工程大学;2007年
5 高萍;基于神经网络的水下机器人广义预测控制技术研究[D];哈尔滨工程大学;2007年
6 李长喜;不完全驱动船舶直线航迹控制系统的研究与设计[D];浙江工业大学;2008年
7 李彦波;电驱动水下滑翔器姿态调整系统研究[D];天津大学;2007年
8 郭冰洁;微小型水下机器人运动控制[D];哈尔滨工程大学;2008年
9 朱旭光;AUV的改进滑模变结构控制技术研究[D];哈尔滨工程大学;2008年
10 肖涛;基于Backstepping方法的水下机器人自适应滑模控制技术研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 干洪;力学学科的发展现状与21世纪展望[J];安徽建筑工业学院学报(自然科学版);2001年02期
2 顾书龙,张宏彬,洪求三;Vacco动力学方程的形式不变性[J];安徽师范大学学报(自然科学版);2004年03期
3 孔祥梅;李宏光;;滑模控制中一类趋近律的改进[J];鞍山科技大学学报;2007年04期
4 张晓英,张美红,张震,王国玉,石惠宁;CFD技术在喷水推进泵级内部流动计算中的应用[J];车辆与动力技术;2004年04期
5 李春艳;范知友;;两栖车辆浮态计算方法研究[J];车辆与动力技术;2009年04期
6 袁秋长;孔军利;孙阳;刘海洋;何原东;;排液燃气发生器的设计及参数计算[J];火炸药学报;2005年04期
7 沈建森;朱书平;周徐昌;;基于Matlab/Simulink的水下航行器建模与仿真[J];兵工自动化;2012年02期
8 罗勇 ,刘桂林 ,梅凤翔;变质量高阶非完整系统的广义Mac-Millan方程[J];兵工学报;1988年02期
9 梅凤翔;事件空间中非完整保守系统的广义ЦЕНОВ方程[J];兵工学报;1988年04期
10 刘端,梅凤翔;带任意阶非完整约束的力学系统的广义能量积分和广义Whittaker方程[J];兵工学报;1990年02期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 于丹;岳宝增;;充液航天器姿态动力学及跟踪控制[A];第十三届全国非线性振动暨第十届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议摘要集[C];2011年
2 董磊;刘贤兴;孙宇新;;无轴承异步电机径向悬浮力的微分几何变结构解耦控制[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
3 阮久宏;李贻斌;;一种新的智能控制器设计方法及其在船舶航向控制中的应用[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
4 李军亮;肖新平;毛树华;;灰色双层线性规划的粒子群解法[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
5 杨林;樊立萍;;基于模糊的电气伺服系统等效滑模变结构控制[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
6 张娴;程月华;姜斌;;基于滑模观测器和变结构控制的小卫星姿态控制系统设计[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
7 王亚慧;程培新;赵亚丹;张桐;;针对时滞系统的RBF神经网络滑模控制策略[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
8 谢海斌;林龙信;沈林成;;仿生水下机器人仿真系统设计与实现[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
9 刘捷;李军亮;廖锐全;;非等间隔广义累加灰色预测模型及其应用[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年
10 龙建军;吴百海;吴金萍;;基于功能原理的水下潜器模型参数辨识方法与实验估计[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 戴运桃;粒子群优化算法研究及其在船舶运动参数辨识中的应用[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 沈海龙;船体与节能附体及螺旋桨的非定常干扰研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
3 王超;螺旋桨水动力性能、空泡及噪声性能的数值预报研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
4 刘攀;绳索牵引机器人及虚拟重力系统研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
5 王龙金;零/低航速减摇鳍升力模型及系统控制策略研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
6 田峰敏;水下地形导航模型求解与导航区初选策略研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
7 贺克羽;新型控制棒水力驱动系统研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
8 徐小峰;面向船舶制造协同物流网络的资源优化研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
9 毛宇峰;水下机器人系统体系结构及避障控制技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
10 陈广洲;多源信息耦合的成矿预测新模型研究[D];合肥工业大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 汪步云;水下作业机械手抓取力伺服控制的研究[D];安徽工程大学;2010年
2 张蛟龙;平面二级倒立摆的控制策略研究[D];河南理工大学;2010年
3 何凤平;迟滞系统的滑模变结构控制算法研究[D];浙江理工大学;2010年
4 刘军;基于改进蚁群算法的移动机器人路径规划研究[D];郑州大学;2010年
5 史文韬;基于DSP的水下机器人嵌入式控制系统设计[D];哈尔滨工程大学;2010年
6 马艳;导管螺旋桨的水动力性能分析与设计优化[D];哈尔滨工程大学;2010年
7 乔晓国;深水浮式结构动力定位能力动态分析[D];哈尔滨工程大学;2010年
8 姜婵娟;遥控式水下机器人PID运动控制算法优化研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
9 赵杨;船舶适航性与操纵性自航模系统设计[D];哈尔滨工程大学;2010年
10 赵淑香;零航速下减摇鳍的运动规律与能量优化研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 姚仲舒,王宏飞,杨成梧;一种机器人轨迹跟踪的迭代学习控制方法[J];兵工学报;2004年03期
2 胡坤;王树宗;徐亦凡;;基于免疫遗传算法的潜艇水动力系数优化研究[J];兵工学报;2008年12期
3 战强,丑武胜;结构环境中多机器人无冲突运动规划的研究[J];北京航空航天大学学报;2002年02期
4 孙汉旭,肖爱平,贾庆轩,王亮清;二驱动球形机器人的全方位运动特性分析[J];北京航空航天大学学报;2005年07期
5 战强,贾川,马晓辉,陈明;一种球形移动机器人的运动性能分析[J];北京航空航天大学学报;2005年07期
6 魏东,张明廉;基于神经网络的非线性模型辨识[J];北京建筑工程学院学报;2004年04期
7 周妮娜;王永彬;;基于神经网络的非线性系统辨识[J];宝鸡文理学院学报(自然科学版);2006年01期
8 黄国梁,刘天威,周伟麟,赵健;全垫升气垫船操纵运动研究[J];船舶工程;1996年02期
9 鲍其莲,张炎华;智能自适应控制及其在船舶操纵系统中的应用[J];船舶工程;1998年02期
10 张铭钧,孟庆鑫;水下机器人非完全回归型神经网络运动模型的研究[J];船舶工程;1999年01期
中国博士学位论文全文数据库 前7条
1 王毓顺;潜艇近水面空间运动联合控制系统研究[D];哈尔滨工程大学;2001年
2 臧传德;船舶航行的智能预测控制研究[D];哈尔滨工程大学;2002年
3 于华男;开架式水下机器人辨识与控制技术研究[D];哈尔滨工程大学;2003年
4 庄严;移动机器人基于多传感器数据融合的定位及地图创建研究[D];大连理工大学;2004年
5 李奇安;广义预测控制算法简化实现方法研究[D];浙江大学;2005年
6 韩冰;欠驱动船舶非线性控制研究[D];哈尔滨工程大学;2004年
7 王玉甲;水下机器人智能状态监测系统研究[D];哈尔滨工程大学;2006年
中国硕士学位论文全文数据库 前7条
1 戴军;基于遗传算法的水下机器人模糊控制器设计[D];哈尔滨工程大学;2002年
2 田超;风浪流作用下船舶操纵运动的仿真计算[D];武汉理工大学;2003年
3 郑曙光;基于模糊、神经网络技术的水下机器人运动控制的研究[D];哈尔滨工程大学;2003年
4 徐箭雨;模糊CMAC神经网络在AUV运动控制中的应用[D];哈尔滨工程大学;2003年
5 侯巍;自主水下航行器建模与控制系统研究开发[D];天津大学;2004年
6 朱秋琴;基于神经网络的非线性GPC算法研究[D];兰州理工大学;2005年
7 杨晓华;基于CAN总线的水下自航行器控制器设计与研究[D];天津大学;2006年
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1 肖爱平,孙汉旭,廖启征,谭月胜;一种球形机器人的设计与原理分析[J];机电产品开发与创新;2004年01期
2 肖爱平,孙汉旭,谭月胜,马国伟,赵勇;一种球形机器人运动轨迹规划与控制[J];机器人;2004年05期
3 ;科技速览[J];中国科技财富;2005年08期
4 明月;;球形机器人[J];发明与创新;2006年11期
5 肖爱平,孙汉旭,谭月胜;基于蓝牙技术的机器人模块化无线通信设计[J];北京邮电大学学报;2004年01期
6 ;带伸缩臂的全方位滚动球形机器人研制成功[J];起重运输机械;2011年02期
7 肖爱平,孙汉旭,廖启征,谭月胜;一种球形机器人的运动特性分析[J];机电产品开发与创新;2005年01期
8 ;它世界[J];兵器知识;2011年07期
9 王亮清;孙汉旭;贾庆轩;肖爱平;于忠华;曹骁炜;;球形机器人的跳跃运动分析[J];机械设计;2006年03期
10 王亮清;孙汉旭;贾庆轩;;球形机器人的爬坡与弹跳能力[J];北京邮电大学学报;2007年02期
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1 郭莹;徐国华;徐筱龙;肖治琥;;水下自主作业系统轨迹跟踪与动力定位[A];中国造船工程学会2009年优秀学术论文集[C];2010年
2 陆军;华克强;;水下机器人的一种路径规划算法及实现[A];1995年中国智能自动化学术会议暨智能自动化专业委员会成立大会论文集(下册)[C];1995年
3 黄海;万磊;庞永杰;秦再白;;船体检测遥控水下机器人控制系统结构[A];第十五届中国海洋(岸)工程学术讨论会论文集(上)[C];2011年
4 陈维山;周杨;;仿鳐鱼水下机器人自主游动建模与仿真[A];2011年机械电子学学术会议论文集[C];2011年
5 桑恩方;;用水下机器人进行堤坝安全隐患检测[A];泄水建筑物安全及新材料新技术应用论文集[C];2010年
6 谢海斌;林龙信;沈林成;;仿生水下机器人仿真系统设计与实现[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
7 王宏健;王琳琳;潘立鑫;;水下机器人近水面横摇与能耗控制[A];中国自动化学会控制理论专业委员会D卷[C];2011年
8 熊华胜;严浙平;;水下机器人水动力系数估计及其在航向鲁棒控制中的应用[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年
9 封金星;刘伯胜;;用于水下机器人导航的长基线水声定位系统[A];新世纪 新机遇 新挑战——知识创新和高新技术产业发展(上册)[C];2001年
10 冯驰;徐冉;;水下潜器垂直运动轨迹跟踪研究[A];2010年通信理论与信号处理学术年会论文集[C];2010年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 桑恩方 卞红雨;水下机器人为堤坝做B超[N];中国水利报;2005年
2 吴卫平 刘军;3500米水下机器人研制成功[N];中国水运报;2004年
3 袁跃东;先河独开的《水下机器人》[N];光明日报;2001年
4 深圳商报特派记者 杨勇杰;水下机器人亮相[N];深圳商报;2003年
5 袁跃东;水下机器人先河独开的奠基宏篇[N];中华读书报;2001年
6 陈惠玲;我国引进深海水下机器人“海狮”号[N];中国矿业报;2009年
7 记者 向杰;我水下机器人发现海底巨大“黑烟囱”[N];科技日报;2009年
8 记者 胡浩;我国水下机器人发现东太平洋海底“黑烟囱”[N];新华每日电讯;2009年
9 任馨宇 记者 王春;“海龙号”3500米水下机器人成功用于深海科考[N];科技日报;2009年
10 通讯员 金声;水下机器人技术国家级重点实验室竣工[N];中国船舶报;2009年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 兰晓娟;一种新型水下球形机器人的若干关键技术研究[D];北京邮电大学;2011年
2 庄未;带有机械臂的球形机器人若干问题的研究[D];北京邮电大学;2009年
3 史成坤;一种紧急救援的带臂球形机器人的研究[D];北京邮电大学;2010年
4 赵勃;同轴双偏心质量驱动球形机器人系统建立及运动控制研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
5 岳明;双驱动球形机器人及其运动控制的研究[D];哈尔滨工业大学;2008年
6 林龙信;仿生水下机器人的增强学习控制方法研究[D];国防科学技术大学;2010年
7 郭莹;水下自主作业系统协调控制技术研究[D];华中科技大学;2008年
8 向先波;二阶非完整性水下机器人的路径跟踪与协调控制研究[D];华中科技大学;2010年
9 王晓鸣;混合驱动水下自航行器动力学行为与控制策略研究[D];天津大学;2009年
10 武建国;混合驱动水下滑翔器系统设计与性能分析[D];天津大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 杜娟;新型水下球形机器人的控制系统研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 刘祥庆;水下球形机器人嵌入式运动控制系统研究[D];北京邮电大学;2011年
3 廖欢欢;球形机器人运动控制研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
4 陈亮;一种新型的水陆两栖球形机器人的研究[D];北京邮电大学;2012年
5 江洁;内外驱动兼备的球形机器人设计及性能分析[D];西安电子科技大学;2010年
6 董荣俊;一种新型球形机器人的设计与实现[D];南京航空航天大学;2009年
7 孙琪;球形机器人运动分析及控制研究[D];南京理工大学;2011年
8 刘卫刚;环境探测球形机器人动力学建模及仿真[D];西安电子科技大学;2010年
9 李红义;一种半球差动球形机器人的设计与研究[D];北京邮电大学;2010年
10 刘彦翀;应用于球形机器人内部的双轴稳定平台研究[D];北京邮电大学;2010年
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