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基于水下仿生机器海豚的控制系统研究

论文编号:lw201708012035378386 所属栏目:控制工程论文 发布日期:2018年01月30日 论文作者:无忧论文网
第 1 章  绪论 

1.1  论文的研究背景及意义 
海洋是继陆地之后人类赖以发展的第二大空间,是当前各类资源最佳开发基地,也是最具探索意义的空间。正是因为近年来陆地可用资源开发面临窘境,人类对于海洋探索的渴求愈演愈烈,因为海洋中储存着丰富不可再生资源包括金属、石油等,人们急需要在地球现有资源开发殆尽的状况发生前寻找到新的能源来维持发展。国际海域内全部的资源属于全体人类,但是当前具备足够实力对这部分水域水下资源进行探测、开采的国家只有极少数,而且根据规定,在这些国家已经发现资源的区域他们具备优先开采的资格[1],因此占据国际海洋资源优先地位是一项迫切而又必要的事务,是目前急需关注的话题。 水下机器人作为水面工作人员与未知的水下环境的良好媒介,正在广泛引起科研人员的关注。今后在海洋资源开发和海洋安全维护方面,水下机器人将扮演重要角色。 水下机器人也被称为无人水下潜水器(Unmanned Underwater Vehicles,UUV),是有能力在水下完成指定工作的设备[2]。依照与水面支持系统间联系媒介的差异,水下机器人主要分为有缆和无缆两种。有缆水下机器人通常被成为遥控水下机器人(Remotely Operated  Vehicle  ,ROV),不完全自主,需要人为的干预和外界提供动力,电缆就是水面工作人员对 ROV 控制操作的媒介,但是悬在海中的电缆是整个系统中极不稳定的因素,极易发生故障,这就极大限制了机器人的工作范围及效率。无缆水下机器人主要指自治水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle ,AUV),自身附带能源模块和智能控制系统,是集合了人工智能、探测避障、数据处理等多新技术与同一水下设备上,在没有外界实时控制干预的情况下自主完成预定目标的机器人[3]。正是因为在关乎经济发展的资源开发和新世纪时期的军事武器层面上水下机器人还有极为广阔的应用前景,越来越多的国家已经把自治水下机器人的研究和制造视为重点项目。 
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1.2  国内外研究现状
关于水下仿生机器鱼的研究主要可以概括为两个部分:90 年代前的基础理论分析研究和 90 年代后的研发研制。随着与之息息相关的仿生学、控制理论、流体力学、材料学等学科的发展,机器鱼的研究由理论分析逐渐转变为实体研究[7]。 国外对于仿生水下机器人的研究在 1994 年就开始了,主要集中在一些发达国家,例如美国、日本,尤其是美国麻省理工学院研制了第一台仿生机器金枪鱼 Robo Tuna,如图 1.1,由此开创了仿生机器鱼的先河,其前进速度为 2m/s,有灵活的摆动功能。一年后推出改良版的 Robo Pike,旨在解决和改善水下的运动性能,该鱼具有良好的加速能力。1998 年 MIT 研制了最高版 VCUUV,如下图 1.2,与最初推出的机器鱼相比其在很大程度上可以较真实模拟生物鱼的游动[8]。据科学周刊《自然》报道,2015 年 5 月,麻省理工研发了一条具有极高模仿力,能够完成迅速避障操作的仿生鱼,这个机器鱼依靠流体驱动系统支撑身体运动,并且具有机器人的所有子系统板载。据资料显示,这款仿生鱼可以在 160 毫秒内完成逃避反应,如图 1.3 所示。 英国的埃塞克大学有一支专门研究水下机器鱼的团队,他们将研究点关注在水下机器鱼的推进行为模式上。在埃塞克大学的水族馆中有一条外形酷似鲤鱼的仿生机器鱼,如图 1.4 所示,其使用结合人工智能技术和内置传感器避开障碍物,可以模拟真实鱼游进和旋转姿态,该机器鱼的电池续航时间为 5 小时,可应用于海底勘探、石油管道泄漏检测领域[9]。 
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第 2 章  仿生机器海豚结构总体布局 

仿生机器海豚,就是仿照海豚游动的推进机理,利用机械结构及电子元器件来实现水下推进的一种运动装置。本章主要分析了海豚特有的背腹式运动方式同时结合海豚运动机构进行功能性模块化,选定合适的机械推进装置,利用现场总线 CAN 通信方式实现多模块间通讯,配合以 DSP 为核心的运动控制器的控制部分,完成机器海豚控制系统搭建。 

2.1  海豚游动特性分析 

因为海豚样本的获取较为困难,海豚的游动方式及机理很难完全被人类掌握,仅通过视频图像等数据观察分析发现海豚的游动模式很复杂,不能简单定义,只能通过借鉴分析鱼类的游动模式来总结和推理[14]。图 2.1 是针对鱼类的推进系统的分类图。海豚在水中主要是进行背腹式摆动,尾部的弯曲运动带动尾鳍摆动,在游进过程中,海豚尾鳍游动的轨迹可近似视为按正弦规律变化的曲线[15],如下图 2.2 所示。海豚依靠尾巴和尾鳍摆动提供主要动力,因其肌肉组织发达,海豚摆动动力很强。同时在胸鳍及头部的配合下,身体所形成的完美流体形态使得瞬时游速可达 8-11m/s[16]。研究表明,海豚尾鳍的运动是可视为沉浮运动和俯仰运动的合成[17]。 海豚的胸鳍在海豚前进过程中可发挥增强整体运动稳定性和提供升力的作用,协助尾部更好地提高推进效率。同时胸鳍机构的划水摆动可产生机动运动力,同时两侧的运动对姿态的呈现也有很重要的影响。当两侧胸鳍同步运动将产生对称的推进作用,当一侧运动时,机器海豚可以实现转弯。在海豚处于低速运动状态时胸鳍的展开可以提高升力,高速时收敛则可减小阻力[18]。因此,对于海豚鳍肢的控制显得与配合显得十分重要。 

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2.2  仿生机器海豚机械部分模块化设计及驱动装置选型
根据海豚的身体外形及内部生理构造,考虑到特殊的摆动方式,拟采用模块化的设计思想,将海豚分为四机动部分:头部模块、主体模块(胸鳍模块)、尾部模块和尾鳍模块。海豚机械机动部分划分如图 2.3 所示。因头部空间较为充裕,此模块中主要包含转弯机构和通信、运动控制器等电子元器件。头部主要实现水平面内的转弯和垂直面内的沉浮运动。模块中附有两个直流有刷电机,分别控制左右、上下两自由度的转动,头部在转弯机构提供的力矩作用下,实现转弯运动。主体部分主要起到支撑作用。此模块中包含胸鳍部分,左右两侧胸鳍用来保持海豚运动状态下的平衡以及在头部运动时稳定鱼体,更好实现沉浮姿态。两侧胸鳍分别放置两个舵机,各控制两自由度的转向。同时在主体部分安装重心调整机构,放置铅块,通过直流电机的带动实现前移后退,调整鱼体重心,实现上浮下潜,为跃水做准备。另外,主体部分也起到起承转合的效果,连接头部尾部,真实模拟海豚结构。由于主体部分空间较大,电源部分也会安置与此,也可以起到平衡重心浮心的作用。 
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第 3 章  仿生机器海豚控制系统硬件设计 ..... 17 
3.1 DSP 芯片概述及选型 ...... 17
3.2  仿生机器海豚控制板设计 ....... 18 
3.3  姿态传感器模块设计 ..... 22
3.4  电机驱动板设计 ............. 26
3.5  无线通信模块设计 ......... 29 
3.6  电压管理系统设计 ......... 31 
第 4 章  仿生机器海豚控制系统软件设计 ..... 33 
4.1  机器海豚内部通信软件设计 ............. 33
4.2  机器海豚舵机及直流电机控制 ......... 35
4.3  机器海豚姿态控制软件设计 ............. 39 
4.4  机器海豚传感器模块软件设计 ......... 39 
4.5  无线通信模块软件设计 ........... 42 
4.6  上位机界面程序设计 ..... 44 
第 5 章  仿生机器海豚热分析 ..... 51
5.1  仿生机器海豚内部整体热分析及散热处理 ......... 51
5.2  仿生机器海豚控制 PCB 板热分析 ............. 55
5.3  仿生机器海豚内部对冷凝水形成分析及措施 ..... 60 

第 5 章  仿生机器海豚热分析 

仿生机器海豚的外壳是采用 3D 打印的方式,所采用的材料是光敏树脂,这种材料导热系数较低,最高耐热温度为 62℃,如果海豚机构某一块区域长时间处于高温状态,外壳机构可能出现融化的后果。同时,考虑到海豚机构空间有限,各模块控制板体积都较小,过高温度会影响整个系统的正常运行。因此本章进行的海豚内部热分析显得很有必要。 

5.1  仿生机器海豚内部整体热分析及散热处理
电子设备在设计前期针对热分析分析,至少需要满足两点基本要求:1)根据所要求的设备的工作指数和器件的正常工作范围,,确定元器件的最高允许工作温度和功耗,使热设计满足可靠性要求;2)考虑工作环境温度和压力的极限值[53]。海豚内部发热器件主要有电池、电机、PCB 板和机构摩擦生热等,保证海豚内部最高温度不会超过器件最高可接受温度,才能保证海豚整体运行正常。 通常情况下,热量散发的方式主要有:热传导、热对流、热辐射。我们自主设计的海豚采用光敏树脂包裹、硅胶填充、防水外衣环绕,散热方式最好侧重与热传导与热对流的结合,让海豚密封环境内的空气流动性更强,热量均匀分散到避免,通过水冷将热量带走,这样更符合实际条件,性价比也更高。光敏树脂的导热率很低,水冷效果不佳,内部如果气流不流