Введение 3
Постановка задачи 5
Обзор литературы 8
Глава 1. Математическая модель НПА с манипулятором 10
1.1. Кинематика подводного робота-манипулятора 10
1.2. Динамика подводного робота-манипулятора 13
Глава 2. Синтез стабилизирующего закона управления для НПА с манипулятором 18
2.1. Линеаризация уравнений движения 18
2.2. Синтез стабилизирующего закона управления 20
Глава 3. Разработка имитационно-моделирующего комплекса в среде MATLAB-Simulink 24
3.1. Компьютерное моделирование движения подводного робота-манипулятора 24
3.2. Линеаризация компьютерной модели 26
3.3. Компьютерное моделирование системы управления подводным роботом-манипулятором 27
Глава 4. Результаты имитационного моделирования 30
4.1. Анализ качества функционирования системы управления подводным роботом-манипулятором 30
Выводы 33
Заключение 34
Список литературы 35
Приложение А 38
Параметры НПА и манипулятора 38
В 60-е годы XX века впервые появились промышленные роботы, которые успешно заменяли человека при выполнении ряда производственных функций. Однако их применение в те времена было крайне ограниченным, что в существенной мере определялось недостаточными возможностями вычислительной техники. В частности, даже не шла речь об активном использовании роботов под водой. В настоящее время, благодаря бурному развитию технических средств и компьютерных технологий, подводная робототехника имеет огромный спрос и множество сфер применения, что, как следствие, вызывает большой интерес у инженеров и исследователей в области теории управления.
Современные подводные роботы в большинстве случаев устанавливаются на автономные или необитаемые телеуправляемые подводные аппараты (НПА). С их помощью решаются задачи мониторинга и обследования морского дна для разработки природных ресурсов, взятия биологических проб жидкостей и обслуживания подводных сооружений, включая трубопроводы. Также подводные роботы широко используются при проведении поисково-спасательных работ, при изучении подводной флоры и фауны, для инспекции судов и в других случаях[20, 1, 6].
В любом варианте реализации использование подводных манипуляторных комплексов избавляет человека от опасного труда, и, в то же время, сокращает эксплуатационные расходы, делая возможным проведение широкого спектра операций, недоступных человеку.
К первым разработкам НПА относятся исследования, проведенные в 1957 г. тремя учеными из лаборатории прикладной физики Вашингтонского университета, которые создали аппарат под названием Special Purpose Underwater Vehicle (SPURV). В 1970-х гг. работы проводились в Массачусетском технологическом институте, а чуть позже аналогичные работы начали выполнять в Дальневосточном отделении АН СССР.
В настоящее время проектирование, изготовление и исследование НПА осуществляется во всех ведущих мировых державах. К числу наиболее популярных разработок относятся аппараты канадской компании ISE, американской компании NOSC, французского института IFREMER и исландской фирмы GAVIA.
При построении надежного робототехнического комплекса инженерами решаются различные вопросы, связанные с конструктивным проектированием, при этом одним из важнейших этапов, включающим в себя вопросы моделирования, является построение оптимального закона управления объектом.
Следует отметить, что задача управления подводными роботами существенно сложнее, чем для наземных робототехнических комплексов по ряду причин, и требует всестороннего рассмотрения многих практических и теоретических вопросов.
Во-первых, подводный робот имеет существенно ограниченные по своим возможностям каналы связи. В частности, для него невозможно использовать GPS из-за проблем с передачей электромагнитных волн определенных частот под водой. Существенные трудности возникают с надежностью систем компьютерного зрения.
Во-вторых, датчики имеют низкую пропускную способность из-за плохо структурированной окружающей среды.
В-третьих, манипулятор закреплен на мобильном основании, а система приводов имеет нелинейную динамику и испытывает сильное влияние гидродинамических эффектов, что существенно затрудняет оценку динамических параметров и проведение математического моделирования.
В данной работе рассмотрены вопросы, связанные с построением уравнений динамики автономного подводного судна с шестизвенным манипулятором. В силу широкого применения линейных стационарных систем на практике особое внимание уделено вопросу нахождения линейного приближения полученных уравнений. Также выполнено моделирование объекта управления в дискретном времени.
Построенный в системе MATLAB-Simulink имитационно- моделирующий комплекс позволяет исследовать поведение системы при наличии управления в форме обратной связи на базе управления с прогнозом (MPC) или на базе линейно-квадратичной оптимизации (LQR), а также при отсутствии управляющих воздействий. Предложенные подходы к построению управления обеспечивают стабилизацию объекта управления в заданном положении. Полученные результаты имитационного моделирования позволяют сделать вывод о состоятельности построенной системы управления.
Направлением для дальнейших исследований и работы могли бы стать добавление астатизма в систему управления, а также учет ограничений на управляющие воздействия, моделирование и фильтрация шума в каналах измерений.
