Введение 3
Постановка задачи 5
Обзор литературы 7
Глава 1. Математическая модель подводного робота-манипулятора 9
1.1. Уравнения движения подводного робота-манипулятора 9
1.2. Линеаризация уравнений динамики 13
Глава 2. Управление роботом-манипулятором в вертикальной плоскости .... 16
2.1. Построение оптимального асимптотического наблюдателя 16
2.2. Построение стабилизирующего закона управления 17
Глава 3. Имитационный моделирующий комплекс в среде Simulink 19
3.1. Компьютерная модель подводного робота-манипулятора 19
3.2. Компьютерная модель асимптотического наблюдателя 21
3.3. Компьютерная модель системы стабилизирующего управления 22
Глава 4. Результаты имитационного моделирования 24
4.1. Анализ работы асимптотического наблюдателя и системы управления 24
Выводы 31
Заключение 32
Список литературы 33
Приложение
Робот (от чеш.robota - тяжёлый труд, каторга) - автоматическое устройство, созданное для того, чтобы заменить человека в опасных ситуациях и средах и освободить его от однообразных рутинных операций. Современные роботы, созданные на базе последних достижений науки и техники, применяются во всех сферах человеческой жизни [4].
Робототехника - прикладная наука, объединяющая такие дисциплины, как механика, телемеханика, электроника, информатика, электротехника и радиотехника, искусственный интеллект и производство.
Робототехнические комплексы являются основой автоматизации промышленности, медицины и космонавтики. Создание таких комплексов в настоящее время является актуальной задачей, требующей широкого привлечения информационных технологий и вычислительной техники.
Подводная робототехника является одной из новейших областей в рамках данного направления. В последние годы необитаемые подводные аппараты (НПА), оснащенные многозвенными роботами-манипуляторами, широко используются для решения таких задач, как исследование морского дна, мониторинг и обслуживание трубопроводов и кабельных линий, сбор биологических и геологических проб жидкостей, освоение морских нефтяных и газовых месторождений, проведение подводных аварийно¬спасательных работ. Объясняется это тем, что применение пилотируемых аппаратов очень опасно и несет большие эксплуатационные расходы.
Исследования в области моделирования и управления подводными роботами в конечном итоге направлены на достижение полной автоматизации указанных процессов. Данная цель является исключительно сложной задачей, так как подразумевает решение широкого спектра теоретических и практических проблем, подлежащих всесторонним исследованиям.
В частности, система датчиков НПА имеет дело с неизвестной и плохо структурированной окружающей средой, не допускающей применение системы GPS (Global Positioning System) в связи с невозможностью передачи электромагнитных волн определенных частот. Применение систем, основанных на компьютерном зрении, не обеспечивает достаточной надежности при наличии плохой видимости под водой [9].
В настоящей работе рассмотрена динамическая модель необитаемого подводного аппарата в вертикальной плоскости с установленным на нем манипулятором с двумя степенями свободы, выполнена ее линеаризация. При этом учитывается воздействие моментов и сил со стороны манипулятора на НПА. Для линеаризованной системы построен оптимальный асимптотический наблюдатель, позволяющий получить оценку вектора состояния системы, а также фильтрующий случайный шум в канале измерения и подавляющий стационарные стохастические возмущения.
Кроме того разработан алгоритм управления обратной связью на базе идеологии LQR-оптимизации. Предложенный алгоритм обеспечивает
стабилизацию в заданном положении подводного робота. Результаты компьютерного и имитационного моделирования подтверждают эффективность и работоспособность предложенного подхода.
В дальнейшем предполагается совершенствование предложенного алгоритма управления, который бы компенсировал силовые и моментные воздействия манипулятора на судно, обеспечивая, таким образом, астатизм системы управления.
