產品概述
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1、概述
水下機器人ARMs 1.0是一款集教學與科研目的為一體的便攜式小尺度流線形水下機器人,其滿足日常學生船舶原理和自控原理相關教學實驗的同時,兼顧流體力學分析、船舶操縱性研究、導航制導控制設計等學科專業(yè)研究。本平臺提供一套便攜式水下機器人硬件組件,基本的艇載嵌入式運動控制程序和岸基監(jiān)控軟件,便于開展學習船舶原理、控制系統設計和集成、嵌入式程序編寫和調試、自控算法設計和驗證、岸基監(jiān)控軟件開發(fā)和聯調等方面工作,完整系統具備遠程遙控操縱、自主操縱性試驗、自主循跡航行等能力。
ARMs 1.0系統組成見圖1,其由水下機器人本體和岸基監(jiān)控組成,兩者通過光纖、WiFi或無線電進行通信。
圖1 ARMs 1.0系統組成
2、3D打印小型水下機器人ARMs系統特點
?模塊化外形結構設計,以片段或艙段的方式更換附體、延長電子艙、拓展負載、更換動力形式;
?集總式控制系統集成,將艇載電子設備集總到艇載樹莓派計算機上,滿足算力和IO能力的同時減少系統復雜度;
?分層嵌入式程序架構,縱向分層隔離,提供與硬件設備“一對一"的功能模塊層模塊,用戶只需調用下層API進行應用層開發(fā);
?功能完備的系統案例,提供機器人應用層程序和岸基監(jiān)控軟件作為二次開發(fā)案例,案例具備遙控和自主航行、任務下達、參數設置、日志下載分析等功能。
3、3D打印小型水下機器人ARMs技術參數
表1 ARMs 1.0技術參數
4、實驗內容
?水下機器人認知實驗(船舶原理、機器人原理、坐標系、數學建模、自主控制系統);
?水下機器人接口驗證實驗(狀態(tài)采集、無線通信、數據可視化);
?遙控操縱實驗(水下機器人運動原理、系統運行和搖操步驟);
?操縱性實驗(操縱性試驗流程、自主操縱程序、數據分析);
?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
實驗目標
(1)了解多種操縱試驗的流程和方法,如Z形操縱、回轉操縱、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,評估水下機器人操縱性能;
試驗方法
操縱性試驗用于檢驗機器人操縱性能的優(yōu)劣,為機器人搖操人員提供操縱性資料,為設計和科研提供數據資料。首先了解標準操縱性試驗的流程、關鍵指標和數據分析方法。然后根據不同操縱的操舵流程編寫自主控制程序,進行干態(tài)調試和水中航行試驗。最后下載航行日志,分析航行數據,提取關鍵操縱指標,如Z性操縱的超越角,回轉操縱的回轉半徑和周期。
圖2 湖試場景
圖3 Z形操縱試驗
圖4 空間螺旋試驗
5.2定向航行實驗
實驗目標
(1)了解反饋控制思想和經典PID控制器及參數整定方法;
(2)掌握艇載程序框架,植入艏向跟蹤PID控制程序;
(3)進行艏向跟蹤調試和PID參數整定航行實驗;
實驗方法
針對水下機器人的艏向跟蹤目標,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)行機構提供轉艏力矩,整個閉環(huán)系統使水下機器人跟蹤給定艏向航行。
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,根據當前誤差,誤差積分和誤差微分加權計算出方向舵控制舵角。
圖6 PID控制框架
通過調整PID增益,可使艏向跟蹤精度優(yōu)于1度,見圖7。
圖7 艏向跟蹤曲線
5.3單環(huán)控制定深航行試驗
實驗目標
(1)了解反饋控制思想和非線性控制理論;
(2)學習自抗擾控制架構和方法;
(3)設計深度跟蹤自抗擾控制方法并部署;
(4)進行深度跟蹤控制試驗并整定控制參數;
實驗方法
針對水下機器人的深度跟蹤目標,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)行機構提供轉艏力矩,整個閉環(huán)系統使水下機器人跟蹤給定深度航行。
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動的復合干擾,并將其補償到非線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,最后在控制量中補償擴張狀態(tài)觀測器觀測出的復合干擾作為最終的升降舵控制量。
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整控制器增益,可使深度跟蹤精度優(yōu)于1厘米,見圖10。
圖10深度自抗擾跟蹤曲線
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