多翼自治水下机器人动力学建模与姿态控制

为了提高多翼自治水下机器人姿态自主控制的稳定性和控制性能,设计了基于多翼水下机器人全参数控制模型的姿态控制系统.首先对多翼自治水下机器人进行运动学和动力学分析,建立多翼自治水下机器人的全参数运动控制模型;在此基础上建立多翼自治水下机器人整体控制系统,设计基于线性二次型最优控制的多翼自治水下机器人姿态控制器;最后进行多翼自治水下机器人姿态控制仿真实验.结果表明:在给定的外界干扰下,多翼自治水下机器人能够快速稳定跟踪目标姿态,所建立的控制器以及控制模型能够满足多翼水下机器人姿态的自主控制需要,达到设计目标.     

基于修正的REMUS水下机器人模型的运动仿真

将Timothy Prestero提出的REMUS水下机器人的数学模型进行修正之后应用到某水下机器人上,结合某水下机器人的各水动力系数和参数进行运动仿真.原REMUS模型中的舵力(矩)和螺旋桨推力(矩)是通过相关艇体水动力系数来表征的,而修正的模型使用升力系数和阻力系数来得到舵力和力矩,使用插值的方法来得到螺旋桨的推力和力矩.基于此修正的REMUS模型,进行水平面直航运动、垂直面纯下潜运动、全回转运动、水平面Z型运动、垂直面梯形运动以及定常螺旋下潜运动的仿真和分析,以验证将此修正的REMUS模型应用于某水下机器人上的可行性.     

一种双机协同作业机器人的协作工作空间分析

以一种双机协同作业机器人为研究对象,建立双机协同作业机器人运动学模型,并对其进行工作空间求解与仿真分析,判断是否满足工作要求。首先采用D-H法对双机协同作业机器人坐标系进行建立,通过分析其各个关节之间的空间位姿矩阵变换关系,进行运动学方程求解,然后基于蒙特卡罗法对双机协同作业机器人的协作工作空间进行求解,并进行仿真实验验证。最后对协作工作空间的影响因素进行分析,为下一步对协作工作空间进行优化以及双机协作机器人的轨迹规划等问题提供了理论依据。     

基于OpenGL和3DS MAX水下机器人运动可视化研究

超小型水下机器人运动可视化仿真在整个机器人的研制中占有非常重要的地位.基于三维建模软件3DS MAX和OpenGL,在个人PC机上的视景仿真系统开发出来.利用建模软件建立水下机器人模型,并将其转换为OpenGL的C代码,在VC++开发环境中实现了水下机器人模型的控制与显示、三维场景的模拟以及场景与模型的结合.仿真结果表明:该系统能够逼真地反映水下机器人在场景中的运动情况.     

步行训练机器人虚拟样机协同仿真方法研究

研究SolidWorks、ADAMS和MATLAB协同仿真方法,建立步行训练机器人虚拟样机三维实验平台,实现对步行训练的动态特性和控制系统的仿真验证,其结果证明虚拟样机协同仿真的方法确切有效地分析步行训练机器人运动特性,为研发步行机器人的物理样机提供主要参考.     

矢量喷水推进式水下机器人的建模仿真与验证

为提高小型水下航行器的机动性与可控性,构建了一种基于矢量喷水推进系统的新型多自由度水下机器人。为使该机器人具有理想的运动特性和优异的操控性能,对其进行了理论建模、数值仿真与实验验证。首先建立其运动学和动力学模型,分析多矢量推进作用对机器人运动姿态和航行效果的影响,据此研究机器人多矢量喷水推进协调控制的策略与方法,实现机器人自主升沉、旋转、水平移动等多姿态水中运动。此后,采用MATLAB和ADAMS对所建模型和虚拟样机进行了数值仿真,并且对机器人实物样机进行了水下运动验证实验。仿真分析与实验验证的结果表明,该机器人的运动特性和操控性能符合高机动性和高可控性的设计要求。     

水下机器人纵向姿态的随机最优控制律研究

本文根据水下机器人的线性化模型,利用卡尔曼滤波技术给出了水下机器人纵向姿态的最优估计,通过对水下机器人垂向干扰力的有理谱建模,进行状态扩充,给出了水下机器人的随机最优控制律.仿真结果表明,其控制效果更为理想.     

水下机器人改进S面控制及系统半实物仿真

针对S面控制器参数调整困难的问题,研究了改进的粒子群优化(MPSO)算法,自寻优确定S面控制器的控制参数,实现了S面控制器参数优化计算的快速收敛,避免了局部峰值的徘徊.同时,针对某水下航行器的运动控制系统,设计了控制半实物仿真系统,阐述了仿真系统的总体结构和水下机器人空间运动的非线性数学模型.仿真结果真实可靠地反映了水下机器人运动过程,验证了本文控制器对机器人的控制效果,对实际下水实验提供重要参考.     

三关节机器鱼的尾部动力学建模与仿真

机器鱼技术为研究高效、高机动性和低噪声的水下运载器提供了新的思路,是近几年水下机器人领域的研究热点之一.以三关节机器鱼为研究对象,建立了尾部动力学模型,并进行了仿真,由该模型出发对机器鱼的动力学进行了研究,分析了机器鱼速度与频率等的关系.该方法实现的运动仿真与真实的鱼的运动基本一致,速度随着摆动频率的降低而减小,随着相位差的减小而增加,摆幅对速度的影响很大.     

基于MATLAB Robotics工具箱的SCARA机器人轨迹规划与仿真

为研究SCARA机器人的轨迹规划,在MATLAB环境下,对该机器人运动学参数进行了设计,利用Robotics toolbox工具箱编制了简单的程序语句,建立该机器人运动学模型,讨论了标准D-H参数和改进D-H参数建模方法的区别,并对机器人的轨迹规划进行了仿真.通过仿真,直观地显示了机器人关节的运动,得到了连续平滑的机器人关节角度轨迹曲线.仿真实验表明,所设计的运动学参数是正确的,从而达到了预定的目标.该工具箱可以对机器人进行图形仿真,分析真实机器人控制时的数据结果,对机器人的研究开发具有较高的经济实用价值.     

基于联邦式本体的HLA仿真建模

针对当前高层体系结构(high level architecture,HLA)难以保证复杂产品协同仿真过程中数据与语义一致性的问题,该文提出了一种基于联邦的本体组织方法,给出了联邦式本体的概念。联邦式本体以HLA发布和订购的方式完成分布式概念匹配与保存,实现多领域模型的语义一致,既保证了领域本体独立性,又保证了模型间的互理解性。该文研究实现了基于联邦式本体自动构建仿真任务HLA对象模型的方法,能根据仿真任务联邦概念模型,自动完成对象模型的创建、部署,提升了领域仿真模型的可重用性,并提高了HLA联邦的开发效率。     

基于LMS的AUV空间避障模拟方法研究

为了模拟自主式水下航行器（AUV）在复杂海洋环境中对未知环境的感知以及避障过程,设计了AUV空间避障模拟试验系统．介绍了模拟平台的硬件结构和参数设计,应用激光测距系统（LMS）模拟水下声纳,建立了AUV空间避障仿真环境,设计了基于Q—Learning的避障算法,并完成了模拟试验．试验结果表明：AUV空间避障模拟平台可以较真实地反映AUV在水下复杂环境中的空间运动,避障算法可行有效．     

协同仿真中的数据交换研究

给出了数据交换的数学描述,分析了产品协同仿真中数据的主要特点,在此基础上论述了协同仿真中各异构CAX工具软件之间的直接数据交换和间接数据交换.提出了协同仿真的数据交换策略:对于结构化的非产品模型数据采用XML进行数据交换;对于非结构化的产品模型数据采用XML和STEP相结合的方法交换.以车辆动力系统协同仿真中的应用为例验证了这种交换策略是有效的.     

矢量推进自主水下航行器动力学建模及仿真

采用单矢量推进器进行航向控制的自主水下航行器(autonomous underwater vehicle,AUV),与采用传统的鳍舵进行航向控制的AUV相比,具有更好的低速操控性及定位精度.根据单矢量推进式AUV的特点,将AUV的推力视为螺旋桨转速及矢量推进器摆角的函数,运用Newton-Euler法建立了AUV的6自由度运动学模型和动力学模型,采用四阶五级龙格-库塔方法对单矢量推进式AUV动力学模型进行了求解,在Matlab环境下对其动力学行为进行了仿真预测,并通过水域试验验证了所建模型的正确性,为控制系统的设计奠定了基础.     

基于DIS协议事件仿真及数据融合仿真系统

在DIS协议基础上,研究了事件仿真及数据融合信息生成综合环境,将综合环境划分为功能模块相对独立的三个层次,分析了综合环境的系统结构和实现框架,讨论了指挥与控制系统行为模型,具体实现了事件仿真器及数据融合各类传感器测量信息生成系统,为研究数据融合算法提供更合乎实际的数据,仿真结果表明,系统可以为检测各种实际系统提供仿真环境．     

DP-3级动力定位控制系统的体系结构

根据各船级社对深海作业的安全规范要求,完成了DP-3级动力定位控制系统的硬件与软件设计.详细阐述了DP-3级动力定位控制系统的硬件体系结构与软件体系结构的组成.针对动力定位各子系统所完成功能的不同,对控制系统的软件体系结构进行了应用层、实时层以及物理层的分层设计.为了对控制系统的软件逻辑、硬件体系、数据接口以及系统可靠性进行有效验证,采用实物仿真与虚拟仿真相结合的方法建立了DP-3级动力定位的半实物仿真系统.在半实物仿真系统上对某一深水钻井平台进行了动态模拟试验,仿真结果表明所设计的定位系统可以为动力定位控制系统方案设计的可行性以及控制方法的有效性提供测试环境,所设计的体系结构可为工程应用提供一定的参考.     

水下航行器声通讯安装结构涡流噪声分析

孔腔及凸体作为水下航行器表面的常见结构，其产生的涡流噪声对搭载在水下航行器上的声学仪器的信号精度有不容忽视的影响．根据水下航行器上搭载的声通讯调制解调器安装结构抽象出几何模型，即孔腔、凸体组合结构，采用LES—Lighthill等效声源法对该孔腔、凸体组合结构的流场及声场进行仿真，通过分析不同模型的流动机制及涡流噪声特性，指出了凸体高度对涡流噪声的影响．研究表明，凸体高度与孔腔深度相等时，产生的涡流噪声最小．研究成果为水下航行器声通讯安装结构的设计提供了依据．     

面向作业任务的AUV用自主式机械手结构设计

论述了研制的自主作业水下机械手的总体、结构设计特点和主要性能技术指标.机械手装备于自主式潜水器(AUV)上,具有五个自由度,直流力矩电机驱动,最大作业水深为100m.机械手具有结构轻巧、运动传递精确、手爪可更换和被动柔顺功能等特点.可在计算机控制下面向对象自主作业.讨论了机械手的运动学计算、计算机仿真和调试试验情况.     

基于转速控制的柴油机动态特性建模与仿真

为了仿真柴油机动态特性,建立了基于转速控制的柴油机模型.基于台架稳态试验数据计算得到柴油机扭矩MAP图,并通过动态修正方法获得柴油机动态扭矩;划分了柴油机运行状态,采用基于油量的控制方法,分别设计了全负荷、部分负荷和限速工况下的控制策略;在Matlab/Simulink环境下建立了柴油机仿真模型,集成传动相关总成建立整车动力学模型,并进行了两种工况仿真,仿真与试验结果表明：模型设计合理,有效模拟了柴油机稳态及瞬态工况;所提出的建模方法解决了在有限试验数据下的发动机动态特性建模问题,研究结果可为快速建立柴油机动态性能预测模型提供参考.