基于AVR单片机控制的水下推进器设计

为了保证水下机器人能够快速有效地执行指定的任务,性能优良的推进系统是必不可少的。设计了一种高效率的导管螺旋桨水下推进器,采用三维造型软件SolidWorks设计推进器整体结构,运用ANSYS对推进器外壳进行静力分析,以校核推进器壳体的结构强度,利用ATmega 16单片机实现对螺旋桨推进器的运动控制,最后通过水下实验对推进器的运动和密封性能进行了验证。     

水下机器人防倾覆控制系统研究

设计了一种水下机器人的防倾覆控制系统,主要由机体、控制室和螺旋翼三部分组成,螺旋翼由伺服电机驱动。姿态传感器用于采集水下机器人的运动信息,采用Arduino微控制器平台对伺服电机转速进行控制,通过螺旋翼的旋转做出左倾、右倾、平移等一系列的动作,实时调整机器人的姿态,保证水下机器人的平稳运行。实验结果表明:微控制器平台可以有效控制螺旋翼的转速变化,使得机器人能够做出左倾、右倾、平移等一系列动作,可以有效防止水下机器人运动过程中的倾覆。     

液压推进型水下机器人的运动控制方法研究

针对液压推进型水下机器人的定向控制问题,对液压推进器的比例滞环、机器人多自由度运动模型、控制器设计等方面进行了研究,提出了液压推进器转速PI控制与ROV定向PID控制相结合的控制方法;在Matlab/Simulink中建立了海马号水下机器人的六自由度动力学模型,并设计了带螺旋桨转速PI闭环的定向控制器;该定向控制器包括控制手柄输入、定向PID控制器、推力分配及合成矩阵、螺旋桨转速PI控制器等,利用仿真试验模型对控制器进行了抗干扰测试。仿真结果表明:所提出的复合PID控制器可显著减小由于液压推进器推力不一致引起的定向角度控制误差,具有比常规PID控制器更好的控制性能。     

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。     

可重构磁耦合水下推进器的磁场分析及性能评估

在保证微小型水下机器人运动灵活的同时,降低矢量推进器机械复杂性,改善其防水密封问题,设计了一款可重构磁耦 合的水下矢量推进器。 基于磁耦合非接触式动力传输,解决了驱动电机与螺旋桨之间的防水问题;与此同时,采用重构机构在 两自由度内改变螺旋桨位姿,实现了可重构矢量推进水下机器人的目的。 在建立磁耦合磁场模型的基础上,通过 ANSYS Maxwell 磁场仿真与搭建的磁转矩测量装置,验证了磁场建模的正确性并分析了重构机构对磁耦合动力传输磁转矩的影响。 在 此基础上,进一步搭建了螺旋桨水下测力装置,评估了转速与推力以及不同重构角下最大矢量推力的变化情况。 结果表明,推 进器能够在[-15°,15°]两自由度可重构角范围内稳定地输出矢量推力。     

警用水下机器人本体的设计

介绍了一种在水下进行刑事证物的探测识别、涉案水下现场搜索调查和水下证物打捞作业的警用水下机器人本体。机器人用两个主推进器和两个辅推进器实现其前后、浮潜和左右转弯运动,带有与控制相关的传感器和计算机以及水下探测设备,可实现水下机器人的自主定深航行,并具有对水下目标的光学探测和声纳探测能力。试验验证,该机器人能高效地完成作业使命任务,对水下机器人的设计有一定的借鉴参考价值。     

基于可视化技术的核电站水下机器人地面站设计

针对当前水下机器人地面控制系统可视化程度低、操控不便的问题,基于可视化技术设计了一套水下机器人的岸上地面站系统。该系统可以控制水下机器人的半自主定航向和定深度航行,接受、储存、回放水下机器人拍摄的录像。采用编程技术实现三维动画空间,结合传感器回传数据控制三维动画显示,真实地反映真实世界中水下机器人的运动姿态、位置、运行状态。结合声纳成像信息、摄像机回传图像信息的综合显示,实现了微小型水下机器人的遥操作控制。     

水下滑翔器姿态控制伺服系统研究

设计了一套数字伺服系统用于改变水下滑翔器的质量分布.此系统设计基于单片机P87C591,包括系统硬件设计和软件设计,通过伺服电机的位置控制实现了对水下滑翔器的质量分布控制,进而调整水下滑翔器的运动姿态,具有较高的控制精度和可靠性.     

碟型四螺旋桨全向水下机器人的设计

突破了水下机器人传统的流线型回转体结构设计方法，采用全新结构的碟型四螺旋桨设计方案，从理论上论述了此新型水下机器人的控制方法，并结合控制硬件提出了一种基本的控制方案。同时指明了此新型水下机器人的关键技术及难点，为新型水下机器人的研究和开发做了初步的探索。     

不同水下仿生推进器性能影响的比较

各种模拟鱼类游动的水下仿生推进器,较传统的螺旋桨推进器有着低噪音、低扰动、高效率等突出优点。决定仿生推进器各个性能的重要因素之一,就是仿生推进器内部运动和动力的传动方式。比较分析了采用功能材料驱动、摆动舵机直接驱动、旋转伺服电机加运动变换机构驱动、液压传动等不同传动方式下仿生推进器的结构特点、运动自由度、推进性能,以及适应负载变化的特性,最后指出液压传动是一种综合性能较好的传动方式。液压传动的仿生推进器初步试验表明,该传动方式的结构简单紧凑、驱动能力强、可移植性好、具有优良的动力特性,有着广阔的应用前景和研究价值。     

比例减压阀控桨系统的模型线性化及稳定性分析

三通式比例减压阀因其较高的性价比和易维护性而成功应用于水下远程遥控机器人的螺旋桨推进器控制。然而三通比例减压阀内部压力反馈结构复杂,存在死区和液动力等非线性因素,易受螺旋桨负载特性影响而引起压力振荡。根据主阀力平衡方程、压力流量方程和螺旋桨负载特性建立系统数学模型,并在减压阀的稳态工作点附近进行模型线性化,通过开环伯德图和闭环频响曲线分析特征参数对阀稳定性的影响。理论分析和试验结果表明,增加阀口流量压力系数和马达泄漏系数可有效提高负载环节阻尼比和稳定裕量,系统稳定性得到显著改善。     

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。     

水下清刷机械手的总体设计及方案分析

目前急需研制船舶表面水下自动清刷机器人,国内外对螺旋桨水下自动清刷机器人的研究还很少,水下清刷机械手的设计分析具有重要价值。针对要完成螺旋桨桨叶复杂曲面水下自动清刷作业的机械手,进行了方案设计,水下清刷机械手作为水下机器人的拓展模块,由2只具有对称结构的抓取机械手和1只清刷机械手组成,介绍了机械手的技术参数、总体系统、原理、功能和工作空间。该方案合理解决了高效、完整地对目标4叶螺旋桨进行清刷作业的关键问题。     

磁控微型软体四足水下机器人双模式运动特性的仿真与试验

无缆磁控微型机器人由于其尺寸小、质量轻，在生物医疗、微操作领域等都有着广阔的应用前景。设计一种十字叉形磁控微型软体四足机器人，采用水母模式、螺旋桨模式实现机器人的水下运动。首先分别对磁控四足机器人的水母模式和螺旋桨模式进行动力学分析，然后通过静态特性和动态特性分别对两种模式进行仿真与试验的对比分析，研究磁场强度与弯曲特性的关系、水母模式拍打幅度、频率与速度的关系，螺旋桨模式步长与圆锥素线角、频率与速度的关系等。在此基础上，通过设计控制信号分别在两种模式下实现在水下的垂直向上、悬停、水平移动等多个动作，并实现简单路径跟踪试验，磁控微型四足水下机器人的仿真与试验为微型机器人的应用提供了新思路。     

自补偿式水下推进器的设计及其密封和水动力性能研究

针对小型水下机器人推进器效率低、抗压能力弱的问题,设计一种小型自补偿式水下推进器。该推进器采用油囊的密封方式,利用内外压差进行油液的自我补偿,避免了因油液轻微泄漏导致整个推进器失效的情况发生,保证推进器使用的可靠性。对自补偿模块的密封性能进行有限元分析以及对推进器的水动力性能进行计算仿真,并进行压力与推力实验测试。测试结果与仿真结果均表明,设计的自补偿式水下推进器具有良好的密封性能和水动力特性,验证了设计的可靠性。     

水下机器人传感器及推进器状态监测系统

为了保障水下机器人作业安全,提高其智能程度,提出了基于RBF(径向基函数)网络和FNN(模糊神经网络)的水下机器人传感器及推进器状态监测系统。根据对预处理后的传感器信号进行分析,传感器监测模型检测传感器的故障,并对出现故障的传感器信号进行恢复,将其作为水下机器人的实际运行状态参数提供给推进器监测模型;推进器监测模型输出与传感器实际输出共同作用,通过评价模型即得到了相关推进器的状态信息,并实现了故障定位。某型水下机器人的真实试验数据的计算机仿真结果验证了提出的监测系统的有效性和可靠性。     

水下船体表面清刷机器人密封的设计

水下船体表面清刷机器人伺服电机输出轴可供密封用的轴向尺寸不足4mm,采用常规的动密封方式难以进行密封。根据机器人水下作业环境的要求,对机器人的密封结构和密封方式进行了分析和设计。通过对水下船体表面清刷机器人的静、动密封试验,以及机器人的实际应用结果表明水下船体表面清刷机器人静密封采用O形圈,动密封采用旋转格莱圈和优质毛毡,密封设计合理可用;在伺服电机输出轴上加轴套,既起到了联接的作用,又为密封创造了条件,较好地解决了电机输出轴轴向尺寸小导致的密封难的问题,是一种较好的动密封装置。     

小型球形水底观测机器人设计分析与实现

面向水底信息获取和环境观测需求,基于球状壳体抵抗水压能力强,转动水阻力小,便于姿态控制特点,提出球形水底观测机器人构型,由螺旋桨推进、姿态调节和复合滚动装置组成欠驱动六自由度水下移动平台,球壳作为密闭舱保护内部电子器件,结合重摆以滚动形式实现水底滚动。通过对机器人流体力学仿真计算出水动力系数并建立水下动力学方程,进一步对机器人的螺旋桨推进、飞轮转向和球壳滚动进行分析,得出球壳优化尺寸以及飞轮匹配惯量和球壳滚动特性。基于球形机器人水下移动平台和地面监控软件的水底观测系统架构,研制出球形水底观测机器人原理样机,结合机器人的构型和运动特点制定出降落、滚动和调姿三段式水底运动观测策略,水池试验表明设计的球形水底观测机器人水中推进速度可达到1.4m/s,水底移动速度可达到0.5m/s,姿态调节速度可达到30°/s,能够实现水底图像采集,辅助岸上科研人员执行水底观测任务。     

一种基于SUKF的广义行为环境建模及在远程AUV推进系统的应用研究

针对自主水下机器人对广义行为环境自适应能力差的问题,给出基于平方根无色卡尔曼滤波的广义行为环境建模方法。在广义行为环境的离线参考模型中,有一些参数是时变的、是无法事先预知的,必须通过传感器探测的信息进行实时估计和预测。采用平方根无色卡尔曼滤波算法,根据在线传感器信息以及离线参考模型,实时地估计出广义行为环境的状态和参数。主要研究自主水下机器人自身行为环境建模,以远程水下自主机器人的推进系统为例,构建一种推进器效率损失因子的故障模型结构,应用平方根无色卡尔曼滤波对水下自主机器人的状态和推进器故障参数进行在线联合估计。利用远程自主水下机器人的数学模型进行仿真验证,试验结果表明了算法的有效性,并对影响平方根无色卡尔曼滤波算法估计性能的因素进行了分析。     

水下管道清洁机器人的设计与研究

针对目前水下管道清洁设备智能化程度低、人机交互性差的问题，设计了一款集水下管道智能巡检、污染物清除为一体的水下管道清洁机器人。该机器人采用STM32F407ZGT6单片机作为核心处理器，通过摄像头采集管道信息，利用PID算法控制水平分布于四角的螺旋桨，实现对机器人水下运动控制和管道智能巡检；清除过程采用机械臂结合OpenMV模块实现管道上的杂物清洁。设计的水下管道清洁机器人结构简单、控制稳定，可以实现水下管道巡检、杂物识别、杂物清除的一体化服务，从而降低清洁成本，提高经济效益。