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20公斤级便携式自主水下机器人(AUV)设计与实现

王芬清  
【摘要】:AUV(Autonomous Underwater Vehicle)代表了未来水下机器人技术的发展方向,是当前世界各国研究工作的热点。AUV的发展趋势为更深、更远、更小、功能更强大,特别是随着技术的成熟、海上作战等军事需求和近海工业发展等商业需求,小型AUV开始出现,并且在不断地发展和壮大,国际上商业化比较成功的小型AUV有WHOI的REMUS 100和冰岛Hafmynd公司的GAVIA等。 本文在总结上述成功AUV的基础上,提出了“低成本便携式小型AUV”的设计思想,即设计一款具有高通用性和便携性,在一定程度上自由配置组合的小型AUV,并重点对其机械结构和电控系统做深入研究,对AUV自主导航算法进行初步探讨,为下一步机械系统和电控系统的改进、自主导航算法的深入探索奠定基础。 论文在机械外形设计上采用了鱼雷形流线结构以达到重量轻、外形尺寸小、活动范围大和机动性好的设计目标,同时为了提高AUV水下运动控制的可靠性,采用了双推进器垂直布置的形式,最终设计成型的AUV在壳体耐压、水密连接和流体动力等各方面均达到了设计目标。电控系统设计为多个功能模块电路,如主控电路、参数监测电路、电池管理电路、传感器电路和电机驱动电路等,各个模块通过CAN总线通讯。在此基础上设计了基于GPS/INS(Global Positioning System/Inertial Navigation System)的组合导航算法,AUV在水下潜航时通过INS得到位置信息,上浮至水面后通过GPS对INS的位置信息进行校准以消除累计误差,通过位置信息可以计算得到AUV的航向角信息,从而实现PID闭环控制。


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