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3D打印小型水下機(jī)器人ARMs
產(chǎn)品簡介:

3D打印小型水下機(jī)器人ARMs:水下機(jī)器人ARMs 1.0是一款集教學(xué)與科研目的為一體的便攜式小尺度流線形水下機(jī)器人,其滿足日常學(xué)生船舶原理和自控原理相關(guān)教學(xué)實驗的同時,兼顧流體力學(xué)分析、船舶操縱性研究、導(dǎo)航制導(dǎo)控制設(shè)計等學(xué)科專業(yè)研究。

產(chǎn)品型號:

更新時間:2024-11-19

廠商性質(zhì):代理商

訪問量:907

服務(wù)熱線

4006981718

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產(chǎn)品介紹

1、概述

水下機(jī)器人ARMs 1.0是一款集教學(xué)與科研目的為一體的便攜式小尺度流線形水下機(jī)器人,其滿足日常學(xué)生船舶原理和自控原理相關(guān)教學(xué)實驗的同時,兼顧流體力學(xué)分析、船舶操縱性研究、導(dǎo)航制導(dǎo)控制設(shè)計等學(xué)科專業(yè)研究。本平臺提供一套便攜式水下機(jī)器人硬件組件,基本的艇載嵌入式運(yùn)動控制程序和岸基監(jiān)控軟件,便于開展學(xué)習(xí)船舶原理、控制系統(tǒng)設(shè)計和集成、嵌入式程序編寫和調(diào)試、自控算法設(shè)計和驗證、岸基監(jiān)控軟件開發(fā)和聯(lián)調(diào)等方面工作,完整系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程遙控操縱、自主操縱性試驗、自主循跡航行等能力。

ARMs 1.0系統(tǒng)組成見圖1,其由水下機(jī)器人本體和岸基監(jiān)控組成,兩者通過光纖、WiFi或無線電進(jìn)行通信。

3D打印小型水下機(jī)器人ARMs

   圖1 ARMs 1.0系統(tǒng)組成

2、3D打印小型水下機(jī)器人ARMs系統(tǒng)特點(diǎn)

?模塊化外形結(jié)構(gòu)設(shè)計,以片段或艙段的方式更換附體、延長電子艙、拓展負(fù)載、更換動力形式;

?集總式控制系統(tǒng)集成,將艇載電子設(shè)備集總到艇載樹莓派計算機(jī)上,滿足算力和IO能力的同時減少系統(tǒng)復(fù)雜度;

?分層嵌入式程序架構(gòu),縱向分層隔離,提供與硬件設(shè)備“一對一"的功能模塊層模塊,用戶只需調(diào)用下層API進(jìn)行應(yīng)用層開發(fā);

?功能完備的系統(tǒng)案例,提供機(jī)器人應(yīng)用層程序和岸基監(jiān)控軟件作為二次開發(fā)案例,案例具備遙控和自主航行、任務(wù)下達(dá)、參數(shù)設(shè)置、日志下載分析等功能。

3、3D打印小型水下機(jī)器人ARMs技術(shù)參數(shù)

3D打印小型水下機(jī)器人ARMs

    表1 ARMs 1.0技術(shù)參數(shù)

4、實驗內(nèi)容

?水下機(jī)器人認(rèn)知實驗(船舶原理、機(jī)器人原理、坐標(biāo)系、數(shù)學(xué)建模、自主控制系統(tǒng));

?水下機(jī)器人接口驗證實驗(狀態(tài)采集、無線通信、數(shù)據(jù)可視化);

?遙控操縱實驗(水下機(jī)器人運(yùn)動原理、系統(tǒng)運(yùn)行和搖操步驟);

?操縱性實驗(操縱性試驗流程、自主操縱程序、數(shù)據(jù)分析);

?自主控制實驗(定向航行、定深航行、路徑跟蹤)。

5、實驗示例

5.1操縱性實驗

實驗?zāi)繕?biāo)

(1)了解多種操縱試驗的流程和方法,如Z形操縱、回轉(zhuǎn)操縱、超越試驗和空間螺旋試驗等;

(2)掌握艇載程序框架,植入待執(zhí)行的操縱自主控制程序;

(3)分析航行日志,提取操縱性指標(biāo),評估水下機(jī)器人操縱性能;

試驗方法

操縱性試驗用于檢驗機(jī)器人操縱性能的優(yōu)劣,為機(jī)器人搖操人員提供操縱性資料,為設(shè)計和科研提供數(shù)據(jù)資料。首先了解標(biāo)準(zhǔn)操縱性試驗的流程、關(guān)鍵指標(biāo)和數(shù)據(jù)分析方法。然后根據(jù)不同操縱的操舵流程編寫自主控制程序,進(jìn)行干態(tài)調(diào)試和水中航行試驗。最后下載航行日志,分析航行數(shù)據(jù),提取關(guān)鍵操縱指標(biāo),如Z性操縱的超越角,回轉(zhuǎn)操縱的回轉(zhuǎn)半徑和周期。

3D打印小型水下機(jī)器人ARMs

    圖2 湖試場景

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    圖3 Z形操縱試驗

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    圖4 空間螺旋試驗

5.2定向航行實驗

實驗?zāi)繕?biāo)

(1)了解反饋控制思想和經(jīng)典PID控制器及參數(shù)整定方法;

(2)掌握艇載程序框架,植入艏向跟蹤PID控制程序;

(3)進(jìn)行艏向跟蹤調(diào)試和PID參數(shù)整定航行實驗;

實驗方法

針對水下機(jī)器人的艏向跟蹤目標(biāo),繪制出如圖5所示的反饋控制框圖,其中AHRS作為傳感器提供艏向反饋,控制器輸入艏向誤差計算舵角指令,方向舵為執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供轉(zhuǎn)艏力矩,整個閉環(huán)系統(tǒng)使水下機(jī)器人跟蹤給定艏向航行。

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    圖5 艏向自動控制框圖

控制器采用PID方法,其框圖見圖6。輸入艏向跟蹤誤差,根據(jù)當(dāng)前誤差,誤差積分和誤差微分加權(quán)計算出方向舵控制舵角。

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    圖6 PID控制框架

通過調(diào)整PID增益,可使艏向跟蹤精度優(yōu)于1度,見圖7。

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    圖7 艏向跟蹤曲線


       5.3單環(huán)控制定深航行試驗

實驗?zāi)繕?biāo)

(1)了解反饋控制思想和非線性控制理論;

(2)學(xué)習(xí)自抗擾控制架構(gòu)和方法;

(3)設(shè)計深度跟蹤自抗擾控制方法并部署;

(4)進(jìn)行深度跟蹤控制試驗并整定控制參數(shù);

實驗方法

針對水下機(jī)器人的深度跟蹤目標(biāo),繪制出如圖8所示的反饋控制框圖,其中深度計作為傳感器提供深度反饋,控制器輸入深度誤差計算舵角指令,升降舵為執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供轉(zhuǎn)艏力矩,整個閉環(huán)系統(tǒng)使水下機(jī)器人跟蹤給定深度航行。

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    圖8 深度自動控制框圖

控制器采用自抗擾控制方法,其框圖見圖9。其核心思想是通過擴(kuò)張狀態(tài)觀測器輸入反饋深度和升降舵舵角估計出深度運(yùn)動的復(fù)合干擾,并將其補(bǔ)償?shù)椒蔷€性誤差反饋計算的控制量中。首先使用跟蹤微分器為輸入信號安排過渡過程,并給出過渡過程的微分信號。然后將誤差和誤差微分輸入到非線性誤差反饋計算控制量,最后在控制量中補(bǔ)償擴(kuò)張狀態(tài)觀測器觀測出的復(fù)合干擾作為最終的升降舵控制量。

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    圖9 自抗擾控制框圖

自抗擾控制為非線性控制,具有抗擾能力通過調(diào)整控制器增益,可使深度跟蹤精度優(yōu)于1厘米,見圖10。

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    圖10深度自抗擾跟蹤曲線




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