摘 要

水下机器人运动稳定性是其进行水下作业的基本前提，同时也是主要技术难点之一。在近海及浅水水域，风浪流作用显著，水动力环境复杂。同时，由于水下机器人多输入多输出的模型特点，其运动具有强非线性以及强耦合性。本研究针对0-50米的水下环境特点，分析水下机器人的运动特性并对其运动系统进行了设计，以实现其在复杂水流扰动环境下位置及姿态的相对稳定。

本文主要以自治水下机器人为研究对象，对现有AUV的运动系统结构以及运动控制算法进行了分析比较。在此基础上设计了一种基于倒立摆原理的四自由度水下机器人运动系统，建立了其三维模型以及相应的动力学模型。进而对其运动控制系统进行了设计，采用PID控制器结合模糊控制的方法实现其自稳性，并使用MATLAB/Simulink进行了水流干扰下的运动稳定性仿真，对控制系统进行了验证及优化。

本文的创新点在于利用反应轮与双螺旋推进器构建了一个二阶倒立摆。并利用四个惯性测量单元对位置姿态进行实时检测，建立了一套不完全依赖于水下机器人动力学模型的稳定性控制系统。

研究结果表明该AUV运动系统在外界水流干扰作用下能保证自身的稳定性，并能够实现对给定路径的轨迹跟踪。

关键词：水下机器人；动力学；自稳性；模糊PID控制

Movement Characteristics and Self-stability

Analysis of Underwater

ABSTRACT

Underwater vehicle motion stability is the basic premise of underwater operation, but also one of the main technical difficulties. In the offshore and shallow water areas, wind waves and currents play a significant role, and the hydrodynamic environment is complex. At the same time, the motion of underwater vehicle has strong nonlinearity and strong coupling because of the characteristics of multi-input and multi-output model. According to the characteristics of 0-50 meters underwater environment, this dissertation analyzes the motion characteristics of underwater vehicle and designs its motion system to realize the relative stability of its position and attitude in the environment of complex flow disturbance.

In this dissertation, the structure of motion system and motion control algorithm of AUV are analyzed and compared with autonomous underwater vehicle (AUV). On this basis, a four-degree-of-freedom underwater vehicle motion system based on inverted pendulum principle is designed, and its three-dimensional model and corresponding dynamic model are established. Then the motion control system is designed, and the self-stability is realized by using PID controller combined with fuzzy control. The simulation of motion stability under the disturbance of water flow is carried out by using MATLAB/Simulink, and the control system is verified and optimized.

The innovation of this dissertation is to construct a second-order inverted pendulum using reaction wheel and double screw propeller. Four inertial measurement units are used to detect the position and attitude in real time, and a stability control system which is not completely dependent on the dynamic model of underwater vehicle is established.

The results show that the AUV motion system can guarantee the stability of the system under the influence of the external water flow, and it can track the track of the given path.

Key Words: underwater vehicle; dynamics; self-stability; fuzzy PID control

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第1章 绪论 1

1.1 项目研究背景 1

1.2 水下机器人运动系统研究现状 3

1.2.1 现有水下机器人运动结构 3

1.2.2 水下机器人运动稳定性控制方法 6

1.3 倒立摆的研究及相关应用 6

1.4 课题研究的目的和意义 7

1.5 课题的主要研究内容 8

第2章 水下机器人运动系统总体设计 10

2.1环境分析与总体设计 10

2.1.1 工况环境分析 10

2.1.2 参数确定与总体设计 11

2.2 机械结构设计 13

2.2.1 壳体设计 13

2.2.2 推进器布置 14

2.2.3 重力平衡 16

2.3 控制系统设计 17

2.4 本章小结 18

第3章 水下机器人动力学模型的建立 19

3.1 坐标系建立及坐标转换 19

3.1.1 坐标描述 19

3.1.2 坐标转换 22

3.2 水下机器人的运动学方程 23

3.3 水下机器人受力分析 24

3.3.1 环境影响 24

3.3.2 执行元件输出动力 26

3.3.3 重力和浮力 27

3.4 水下机器人的动力学模型 28

3.5 参数的测量与拟定 29

3.6 本章小结 30

第4章 水下机器人运动控制系统设计 31

4.1 运动控制偏差量的计算 31

4.2 运动稳定性控制算法 32

4.2.1 模糊PID控制器基本原理 32

4.2.2 模糊PID控制器的设计 33

4.3 倾角估计与姿态确定 37

4.4 控制电路设计 38

4.4.1 原理电路 38

4.4.2 PCB设计 38

4.5 本章小结 38

第5章 水下机器人自稳性仿真分析 40

5.1 仿真环境 40

5.2 模型构建 40

5.2.1 系统输入 41

5.2.2 水下机器人模型 42

5.2.3 控制系统模型 43

5.3模糊PID控制器的调试 44

5.4 轨迹航行稳定性仿真 46

5.4.1 三维轨迹跟踪仿真 46

5.4.2 干扰作用下三维轨迹跟踪仿真 48

5.5 本章小结 49

第6章 环境影响与经济性分析 50

6.1 环境影响分析 50

6.2 经济性分析 50

第7章 结论与展望 51

7.1 工作总结 51

7.2 研究展望 52

参考文献 53

附录A（装配图） 55

附录B（电路原理图） 56

附录C（MATLAB Function 部分程序） 57

致谢 61

第1章 绪论

本章对水下机器人的研究背景进行了简要介绍，叙述了水下机器人的类别以及应用范围。并以AUV为主要研究对象，对水下机器人运动系统的相关研究现状进行了阐述和说明，分析了现有的主要运动结构、稳定性理论以及相关控制算法应用。同时，将本文引入的倒立摆原理及实例的相关内容单列一章进行了说明。最后阐述了课题的研究目的、意义以及主要研究内容。

1.1 项目研究背景