基于变质心控制的低速水下航行器动力学建模

针对水下滑翔机器人在低速运动过程中常规鳍舵低的问题,提出了通过设在航行器内部的3个滑动质量块运动,改变机器人动力学系统质心,从而改变了作用在机器人上的流体动力力矩,进而改变其姿态角,从根本上克服了常规的鳍舵控制方法的不足。本文基于广义d’Alembert方程推导了基于变质心控制的水下滑翔机器人的4刚体9自由度动力学方程,进行了纵平面下的弹道仿真。     

基于可旋转推进器的水下机器人运动控制研究

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简化。水下机器人运动控制的分析离不开动力学模型,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控制系统,并使用Matlab对其进行仿真验证。     

基于大型UUV的MPC解耦路径跟踪控制

针对欠驱动大型水下无人航行器（Underwater Unmanned Vehicle,UUV）的控制问题,基于UUV全数字模型,将UUV的水平面控制解耦为运动学控制和动力学控制。运动学控制采用Serret-Frenet坐标系下的视线角（Line of Sight,LOS）虚拟制导方法,动力学控制采用模型预测控制（Model Predictive Control,MPC）算法。所设计方法基于较精确的水动力模型,不仅能利用模型预测的优势,提前多步预测当前控制策略的效果,提高大型惯性平台的控制安全性,还能避免MPC在求解大自由度非线性系统时的控制发散问题。仿真实验证明,所设计的控制器对于大型UUV具有计算量小、控制精度高等优点。     

带高速旋转飞轮的球形机器人结构设计与运动稳定性分析

为提高欠驱动的球形机器人在低速运动时的稳定性,提出一种安装高速旋转飞轮的球形机器人.该机器人的机械结构主要由球形外壳、内框、长轴电动机、短轴电动机和旋转飞轮构成.给出该机器人的简化模型和结构参数.在运动学分析的基础上,采用带约束的拉格朗日方程建立该机器人的动力学模型,并对该动力学模型进行简化.模型分析结果表明:飞轮高速旋转产生的陀螺效应可减弱外界干扰力矩的影响,保证球形机器人在低速运动时航向角的稳定性.在塑胶跑道上进行直线定位运动试验,当飞轮高速旋转时,与飞轮停止时相比,机器人运动过程中的航向角偏差和航向角速度波动减小,运动结束时机器人中心偏离直线的位移减小.试验结果证明了该设计的有效性.     

某型无人水下航行器建模与仿真研究

为研究无人水下航行器的控制系统设计,建立其一般动力学模型。因为模型具有较高的非线性特征,采用小扰动原理及摄动原理对模型简化。根据简化的模型设计航速、航向、纵倾和深度控制器,并分别进行仿真,仿真结果证明了设计的鲁棒性和稳定性。     

基于自适应反演滑模控制的AUV水平面动力定位方法

自主水下航行器(AUV)是一种高度耦合的强非线性系统,传统的定位方法采用解耦线性化模型,很难保证控制品质。本文针对未知海流作用下AUV的非线性水平面运动模型,充分利用其运动学和动力学模型的特性,提出了基于自适应反演设计方法的AUV水平面动力定位算法,在线估计海流速度。仿真结果验证了跟踪控制系统的全局渐进稳定性,及对有界外部扰动的鲁棒性。     

基于Simulink的受电弓运动学仿真

受电弓是电力机车的重要部件之一.为分析受电弓的运动学性能,基于Simulink应用矢量法对受电弓进行运动学仿真.推导出受电弓的闭环矢量方程和弓头的矢量方程,构成受电弓的运动矩阵方程.通过Simulink内部的函数来求解运动矩阵方程,建立受电弓的运动学仿真模型,并以国产SS7型机车的受电弓为算例对受电弓进行仿真分析.仿真结果表明,该仿真模型可方便地获得受电弓的运动学参数,为实现受电弓的控制及性能改进提供理论依据.     

基于UKF的水下机器人执行器故障检测方法研究

水下机器人需要在无人干预或者少量干预的情况下自主地完成使命,这就要求它在作业过程中能够自主地检测子系统、传感器和执行器的故障.在确认发生故障的时候,它还需要尽最大可能地进行修复,以确保使命的顺利进行.水下机器人常用的执行器包括推进器、舵、机械手等,针对推进器的故障检测问题,首先建立了水下机器人的运动学和动力学模型,然后采用UKF对系统的状态和参数进行联合估计,最后通过外场试验验证了算法的有效性和正确性.     

非惯性系下鳗鱼机器人动力学建模与仿真

在惯性系下得到的鳗鱼机器人的动力学方程由于耦合度高、非线性强而不利于控制器的设计。本文受自主水下航行器(AUV)基于体坐标系的模型表示法的启发,定义了一个与鳗鱼机器人运动方向一致的非惯性系。在该非惯性系下,利用科里奥利定理获得鳗鱼机器人的二维运动学模型,并利用改进的牛顿第二定律和力矩平衡原理获得水下二维鳗鱼机器人在非惯性系下的动力学模型。该模型是解析的,可直接获得切向速度子动力学,更适合于基于模型的现代控制方案,与精确模型相比,其通过方向角参数解耦实现了模型的简化。最后,对一个9模块的机器人系统进行了数值仿真,并与已有的精确模型进行了对比分析,发现所建立简化模型和精确模型的几乎重合,从而验证了所建立简化模型的准确性。     

可重构磁耦合推进水下机器人设计与性能评估

为了经济高效地实现矢量推进,提高水下机器人的机动性能,设计了一种新型矢量推进水下机器人。该机器人采用两个可重构磁耦合推进器作为推进系统的主动力单元,每个推进器都具备两个自由度的矢量重构能力,相较于传统水下机器人,拥有更高的可操纵性和灵活性。本文通过建立推进系统模型,完成了机器人的运动规划,并利用测力实验装置,对机器人的动力性能进行了评估。在此基础上,对机器人进行了前进、偏航、上浮、下潜等多自由度的运动控制实验。实验结果表明,该机器人能够高效地实现多个自由度的运动,新型可重构磁耦合推进器能够稳定的提供矢量推力,验证了该设计方案的可行性。