14、水下机器人快速控制系统原型设计与动力学分析

水下机器人快速控制系统原型设计与动力学分析

1. 水下机器人快速控制系统原型概述

水下机器人的快速控制系统原型设计是一个复杂且关键的过程。其整体流程涉及多个步骤，包括获取水动力系数、建立动力学模型、设计控制器等。

1.1 水动力系数获取

• 实验与数值模拟结合 ：通过开敞水箱试验和CFD - ANSYS CFX方法，从测量的水下机器人三个自由度或水平面运动中获取水动力和力矩系数。同时，利用切片理论解析确定水动力附加质量系数。
• 系数确定流程 ：
  1. 测量水下机器人的位置，诱导出附体坐标系中的速度。
  2. 估计水动力和力矩。
  3. 对推进器动力学进行建模，推进器由直流电机和三叶螺旋桨组成。

1.2 控制器设计

在获得开环水下机器人动力学模型后，采用滑模控制器（SMC）控制顶部控制面的角位置，使用PID控制器控制螺旋桨角速度。为验证整体控制系统设计和通过实验及CFD模拟获得的水动力系数，在游泳池中对水下机器人进行了测试。

2. 水下机器人动力学模型

2.1 坐标系设定

考虑到坐标系的设定，附体坐标系与机器人的主轴重合，原点为水下机器人的质心。正x轴沿车辆纵向中心线向前，正z轴向下。

2.2 动力学模型推导方法

推导水下机器人动力学模型通常有两种方法：
- 拉格朗日方程