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水下机器人-机械手姿态调节系统研究
资料介绍
针对微小型水下机器人(autonomous underwater vehicle,AUV)内部空间狭小、机械手展开作业产生较大姿态倾覆力矩的问题,本文研制了一种新型的水下机器人-机械手系统(autonomous underwater vehicle-manipulator system,AUVMS)姿态调节系统。该系统可以通过机械自锁实现姿态保持以减少能耗,并且可以实现“软件限位”和“硬件限位”两级安全保护。为降低AUVMS姿态偏差和调节时间,提出适应于AUVMS姿态控制的模糊双闭环PID方法,通过模糊逻辑在线调节PID参数,以适应于AUVMS的非线性特性。通过研制的AUVMS原理样机进行水池剪缆作业实验,验证了该AUVMS姿态调节系统及提出的控制方法的有效性。
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2
期
Vol． 39 №． 2
Feb． 2018
第
卷第
哈
尔
滨
工
程
大
学
学
报
2018
2
月
年
Journal of Harbin Engineering University
－
水下机器人 机械手姿态调节系统研究
1
1
2
1
1
， ， ， ，
杨超 张铭钧 秦洪德 郭冠群 王玉甲
( 1．
，
哈尔滨工程大学 机电工程学院 黑龙江 哈尔滨
150001; 2．
， 150001)
哈尔滨工程大学 船舶工程学院 黑龙江 哈尔滨
:
要 针对微小型水下机器人
( autonomous underwater vehicle，AUV)
、
内部空间狭小 机械手展开作业产生较大姿态
摘
， －
倾覆力矩的问题 本文研制了一种新型的水下机器人 机械手系统
( autonomous underwater vehicle-manipulator sys-
tem，AUVMS)
。 ， “ ”
姿态调节系统 该系统可以通过机械自锁实现姿态保持以减少能耗 并且可以实现 软件限位 和
“
” 。
硬件限位 两级安全保护 为降低
AUVMS AUVMS PID
，
姿态偏差和调节时间 提出适应于
姿态控制的模糊双闭环
AUVMS
原理样机进行水池
，
方法 通过模糊逻辑在线调节
PID
，
参数 以适应于
AUVMS
。
的非线性特性 通过研制的
，
剪缆作业实验 验证了该
AUVMS
。
姿态调节系统及提出的控制方法的有效性
:
－
;
;
;
;
PID
控制
关键词 水下机器人 机械手系统 水下大展臂机械手 姿态调节系统 重心调节 模糊双闭环
DOI: 10. 11990 /jheu． 201701003
: http: / /www． cnki． net/kcms/detail/23. 1390． u． 20171211. 0914. 026． html
网络出版地址
: TP242. 6
: A
: 1006-7043( 2018) 02-0377-07
文章编号
中图分类号
文献标志码
Attitude control system for autonomous underwater
vehicle-manipulator system
1
1
2
1
1
YANG Chao ，ZHANG Mingjun ，QIN Hongde ，GUO Guanqun ，WANG Yujia
( 1． College of Mechanical and Electrical Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China; 2． College of Shipbuild-
ing Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China)
Abstract: Aiming at the problem of the narrow interior space of mini autonomous underwater vehicle ( AUV) and
the large attitude overturning moment of manipulator stretch and operate，a new attitude control system of Autono-
mous underwater vehicle-manipulator system ( AUVMS) was developed． To reduce energy consumption of AUV，
the attitude control system can maintain the attitude of pitch and roll through the mechanical self-locking protective
structure; and meanwhile it can achieve the two-level-security-protection of the software limit and hardware limit．
In order to reduce attitude deviation and adjustment time of the AUVMS，a fuzzy double-closed-loop PID method
which is suitable for AUVMS attitude control was proposed，the PID control parameters were adjusted online
through the fuzzy logic to adapt to the nonlinear characteristics of AUVMS． The effectiveness of the attitude control
system and the proposed methods are verified by the cable cutting operation of AUVMS experimental platform that
was carried out in the pool．
Keywords: underwater vehicle-manipulator system ( AUVMS) ; underwater long-arm manipulator; attitude control
system; barycenter adjusting; fuzzy double-closed-loop PID control
，
随着海洋开发进程的加快 无人无缆自主式水
tem，AUVMS ) ， AUV
是 目 前 研 究 的 重 要 内 容
［2］
( autonomous underwater vehicle，AUV)
。AUVMS
，
在水下作业过程中 随着机械手
下机器人
技术逐渐引起人们的关注
作业
载体与携带机
－
之一
［1］
。AUV
， 、 ，
展开 将引起系统重心 浮心位置发生变化 导致
械手构成一种新型的自主式水下机器人 机械手系
AUVMS
，
产生纵倾或横倾 直接影响其作业姿态和作
( autonomous underwater vehicle-manipulator sys-
统
;
业能力 因此研究机械手展开引起的
AUVMS
姿态
的稳 定 控 制 技 术 具 有 重 要 的 研 究 意 义 和 实 用
［3］
: 2017 － 01 － 01．
: 2017 － 12 － 11．
收稿日期
网络出版日期
( B2420133003) ;
( HEUCF160701) ．
。
价值
:
基金项目 国防基础科研资助项目
研业务费专项资金项目
( 1988 － ) ， ， ;
男 博士研究生
中央高校基本科
目前国内外水下装备的姿态控制主要有两种形
:
作者简介 杨超
［4 － 7］
。
式
即推进器控制姿态和重浮心变化控制姿
AUVMS
( 1963 － ) ， ， ，
男 教授 博士生导师
．
张铭钧
:
通信作者 杨超
，E-mail: yangchao@ hrbeu． edu． cn．
。
， ，
中 机械手展开作业时 重心变化
态
本文
·378·
39
卷
哈
尔
滨
工
程
大
学
学
报
第
。
将引起纵横倾姿态变化 由于
AUVMS
， ，
横倾姿态调节系统及其控制技术 研制原理样机 进
需推进器动
， ，
力定位 如再用推进器进行纵横倾姿态控制 难以使
。
行水池实验验证
;
系统定位和姿态控制两个目标同时达到最优 并且
1 AUVMS
姿态调节系统
，
推进器一直工作能耗较大 因此本文不采用推进器
。 ［7］ ，
姿态调节方式 文献 采用移动浮心法 通过执
1. 1 AUVMS
原理样机结构
，
行机构驱动浮力材料运动 进而改变
AUV
AUVMS
1( a) ，
所示 属于微小作
浮心位置
本文
样机如图
; 、
以调节姿态 但由于浮力材料密度较小 体积较大
，
AUV， ， 2. 0 m ×
外形为椭圆流线型 长宽高为
业型
AUVMS
，
空间受限 因此不适用于本文水下机
0. 6 m × 0. 6 m，
总重约
205. 0 kg;
8
配置 个推进器
，
本文
。 ， ［8 － 9］
器人 从本质上看 文献 均为基于重心调节
2 、2 4
包括 个水平推进器 个侧向推进器及 个垂直推
AUV
， ［8］ 、
姿态 但文献 中水密度较小 姿态
， 、 、 。
进器 以及深度 速度 姿态角度传感器等 剩余空
以控制
、 ，
调节效率低 占用空间大 不适于本文
AUVMS
( 1) 、( 2)
。
姿态
间
可用于安装纵横倾姿态调节系统 为不
AUV
内
。
，
调节
影响航行性能 机械手不工作时折叠收纳于
AUV
，
内部剩余空间较小 同时考虑到
AUVMS
(
部 如 图
1 ( b) ) ， 2. 3 m (
机 械 手 展 开 长 度 为 如
［10］
，
AUVMS
1( c) ) 。
图
能源有限
本文研究适用于微小型
的纵
1
AUVMS
原理样机图
图
Fig． 1 Assembly diagram of AUVMS principle prototype
1. 2
系统方案论证
AUVMS
态调节具备旋转偏心压载块方式和横向平移压载块
，
整体结构分析 机械手初始状态
。 ，
方式两种方式 进一步分析 旋转偏心压载块方式
根据
AUV
，
内部 导致
AUV
AUV
，
内部空间 但此方式会影响
折叠收纳于
内部剩余空间较
虽然能充分利用
AUV
; ，
小 并且机械手臂展较长 估算其展开过程中产生的
，
AUV
;
纵倾姿态 而横向平移
稳心高 进而影响
压载块方式在空间利用方面相比旋转偏心压载块方
AUV
、
纵倾 横倾倾覆力矩分别约为
10、0. 8 N·m。
经过分
， 、
析 由于移动浮心法和液体抽排法占用空间较大 调
，
。
1
式要差 但该方式不影响
稳心高 根据图
， 、
节力矩较小 不适合本文内部空间小 调节力矩大的
( a) AUVMS
的
，
样机内部剩余空间分析 横倾姿态调
AUV
。
，
1( a) ( 2)
系统
节系统体积较小 可安装于图
中剩余空间
位置 因此本文采用横向平移压载块方式调节横倾
AUVMS
，
分析移动重心法的占用空间和倾覆力矩调节能
。
、
纵 横倾姿态调节力矩为
10、0. 8 N·m，
纵横倾
。
力
姿态 本文纵倾姿态调节沿
水平轴线 ξ 方
AUVMS
的 ζ 方
15. 0 kg;
，
向布置 横倾姿态调节系统平行于
压载块质量约为
采用密度较大的铅块作为
200
压载块时 姿态调节系统所占用空间 Φ 约为
，
， 2
向 如图 所示
。
mm × 800 mm(
× ) ， ( +
直径 长度 系统总重 压载块 密
1. 3
系统执行机构
AUVMS 、
内部空间受限 姿态调节系统需
)
封舱体 约
25 kg;
1( a)
AUVMS，
可满足
对比图
的
针对
AUV
( 1)
。
的安装要求 因此移动重心法可
，
要调节力矩较大的问题 在姿态调节系统结构设
剩余空间
作为本文姿态调节方案
论证纵横倾姿态调节系统具体方案 根据功能
AUV AUV
。
， “ + ”
计方面 本文设计了 锥齿轮副 丝杠螺母副 结
。
。 ， “
合的传动方式 该传动方式中 采用 锥齿轮副
”
，
， ; “
进行转向 以减少电机占用空间 采用 丝杠螺母
要求和
内部可用空间情况 基于
水平轴
。
线方向移动压载块以实现纵倾姿态调节 而横倾姿
” ， ，
副 扩大输出力矩 以减小电机功率 提高姿态调
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