体坐标系中的线速度和角速度。 推力矢量示意图 额外的力和力矩包括推力和力矩矢量以及干扰的力和力矩矢量，如下 其中的 是推理和力矩矢量， 是干扰因素，例如海流和操纵器的反作用力。推力和力矩矢量根据推进器的位置和方向进行定义。 来源于下列的向量关系 其中的 是变换矩阵， 是通过推进器的旋转角度映射相关矩阵的推力向量。 推力 矢 量 示 意 有 着 很 高 的 非线 性 度 ， 因 为 输 入 总 量 的 个 输 入 ， 推 进 器 的 角 度 包 含 于 推 力 向 量 映 射 矩阵 中 。 Ⅴ 控制设计 机器 人 平 台 的 目 的 是 静 止 悬停 运 动 。 当 发 生 了 位 置 和方 向 上 的 位 移 ， 控 制 器 就会计算合 适 的 输 入 和 反 馈 。 个主 要 的 问 题 是 非 线 性 的 推力 向 量 映 射 。 有 着 合 适 输出 的 输入不能够获取，因为 式有零列。相似的问题在有着四个倾斜螺旋桨的四轴飞行器和转向 轮 式 移 动 机 器 人 的 变 异问 题 上 得 到 了 解 决 。 这 篇 论文 是 通 过 反 推 控 制 方 法 来解 决 零列的问题。 关于位置和方向的输入力和力矩如下表示 其中 ηη 是恒定增益矩阵。在用 代替 后，李亚普诺夫函数如下定义 其中 。之后反推控制规律就知道了 在这里，如果 ，那么上面的反推控制就可以保证其稳定性，如下 其 中 ， 是 正 常 数 。用 取 代 和 ， 我 们 可以 如下 描 述 输 入 向 量 关 系 的导数 其 中 输入 向 量 前 面 的 矩 阵 是满 秩的 ， 并 且 输 出 的 结果可以通过转换矩阵得到。 Ⅵ 仿真模拟 仿真通过在第 Ⅳ部分提到的动力模型上应用位置控制器来描述机器平台的悬停运动，并且海流在整个系统中被看作是干扰项。仿真参数，例如增益，在表格 Ⅲ中进行了相关的总结。 海流 海流速度的平均速度是通过阶的高斯 马尔科夫方程生成的。海流速度 通过下列的微分方程表示 其 中 是 个 零 均 值 白 噪声 系列 。 速 度 限 制在 海 里 小 时 。 固 地坐标系中的海流速度可以通过在图 中描述的攻角 和侧滑角 得到，来源如 下 其 中 是固 地 坐 标 系 中 海 流 速度 关 于 坐 标 轴的 分 量 。 海 流 速 度通过相对速度关系 包含于动力模型中。 水下的仿真模拟 在第 个 仿 真 中 ， 悬 停 运 动通 过 只 有 侧 滑 角 的 海 流 中测 试 。 理 想的 位 置 和 方 向矢量 η 是 ，并且侧滑角 是 。第二个仿真是在只有攻角的水下进行测试的 ，攻角 的角 度 是 。第 个 仿 真 的 结 果 在 下 面 的 图 中 其中 是 轴 位置 ， 是 轴 位 置 ， 是 偏 航 角 。 第 二 个仿 真的 结 果 如 图 中 的 所 示 其中 是 轴 位 置 ， 是 横 摇 角 ， 是 桨 距 角。 海 流 的 攻 角 比 侧 滑 角 对于 机 器人控 制 的 影 响 要大 ， 这 是 因 为平 滑 的 机 器 人 整 体 。 当 攻 角和 侧 滑 角 在 系 统 中 同 时 存在 时 ，控制器无法保持稳定状态。 在水下保持个合适的桨距角 在这个仿真中，对于机器人平台关于合适的桨距角的保持能力在水下进行了测试。 理想 的 位 置 和 方 向 矢 量 η 计 。 对 于 空 间 效 率 ， 这 个推 进 器 位 于 个 水 平 面 上 海 星 捕 捞 的机 械 手 或 者 个 驱 动 轮可以配 备 在 机 器 平 台 的 底 部 或者 顶 部 。 完 成 了 模 型 的 动态 推 导 ， 并 且 控 制 设 计 是基 于 非 线 性系统。最后，基于设计进行了机器人的相关装配。 Ⅱ 问题定义 工作环境的情况 在韩国的南部海岸，海星生存的海水平均深度是 米，并且贝类养殖场的海底相对平 坦。海流的速度低于 并且海水的透光度超过 米。 阿穆尔海星本身的粘着力很小。它也不能快速移动，因此它会经常利用海流来移动。 由于它们数量巨大，因此会群组式的生存。 满足的要求 机器人的宽度必须小于 ，长度要小于 ，并且高度要小于 。为了在没有发射装置的情况下，可以 个人控制机器人，它的重量必须低于 千克力 。 水 中 的最 小负 荷 是 千 克 力 。 最 小 的游 泳 速 度 是 。机 器 人平 台 可 以 在工作区内保持运动和方向，避免水下工作中的海流和机械手的反作用力。 Ⅲ 平台设计 机构设计 如图 所示，我们提出了种使用 个旋转推进器的新型水下机器平台。这 个推进 器可以沿着如图 中的绿线的轴向旋转，并且每两个推进器可以同步旋转。然后，机器人 平台可以实现空间的 个自由度，如图 所示。每个推进器都可以产生小于 千克力的推力。 主体设计成框架结构。框架使用 聚合物制造而成的，图中是用蓝色表示的。在这个框架的基础上，装备上用有机玻璃做的每个部分。黄色部分的浮标装在装置的顶部和底部，使用高分子聚丙烯 制作的。平台上面和下面的对接机构部分是用来装载机械手 或者其他捕捞海星的装置。整个机器人装置在 深以内，承受 压力内是防水的。 电子与通信 表 总结了水下平台电子单元的规格。使用了 和 两种类型的能源供应。装置通过基于电脑端的遥控进行操作控制。推进器的驱动程序和直流伺服电机的驱动程序通过数模转换器板进行联系。直流电机驱动基于 总线进行通信。平台最后的输入 输出 超正析象管串行物理 接口信号转化成串行物理 接口信号，然后通过外部 控制器进行通信。 这个机器人需要 个轴的姿态控制和关于目标的相对位置作为实际的驱动，因为它可以由控制者进行手动控制。感觉系统由 惯性测量单元，测试下潜深度的测压传感器，和两个照相机。 的输出显示了 个 轴的欧拉角，压力传感器给出了深度位置。两个具有立体视觉的摄像机是为了通过视觉伺服算法对于机器人的相对位置进行计算。 水下机器人平台的原型 平台的原型如图 进行装配，在水槽中的工作下潜测试如图 所示。表 总结了原型的参数。平台在空气中的总重量是 千克力。平台浮标在净水中的浮力设置为 千克力。整个机器人被设计成近中性浮力。如果体框架结构是附加于连接推进器中心的对角线的交叉点上的，那么重心和浮心与最开始的体框架架构的几乎致。如表 Ⅱ所示。非对角的惯性矩 ,比对角的要小得多，因为整体的形状是有 个对称面的。 Ⅳ 动力模型 运动方程 通常 来 说 ， 在 固 地 参 考 系 中 个 自 由 度 非 线 性运 动方 程 如 下 表 述 η 是由刚体和附加质量组成的惯性矩阵， η 是由刚体和附加质量组成的科里奥利力和向心矩阵， η 是重力和浮力， η 是包括推力向量的外力和力矩向量， η 是固地坐标系中的位置和方向矢量， 是固定刚是 ， 攻角 是 ， 侧滑 角 是 。 桨距角 被 很 好的 控制 ， 如 图 中 的 ， 并 且 横 摇 角 也 是 稳 定的 ， 如 图 中 的 。 然 而和 轴的位置，以及偏航角不是稳定的状态。 未来的工作 首先 ， 为 了 完 成 稳 定 的 自由 度 位 置 控 制 ， 需 要 进 行精 确 的 调 整 。 其 次 ， 通 过对比控制 设 计 来 探 索 合 适 的 鲁 棒性 控 制 设 计 方 法 。 然 后 ， 需 要 进 行 真 实水 下 的 实 验测 试 。 捕捉装置的设计和组装对于实现实验的主要目标也是非常重要的。 Ⅶ 结论 这篇 论 文 ， 提 出 了 装 备 个旋 转 推 进 器 的 水 下 机 器 人平 台 。 利 用 个 旋 转 推 进器机 构实 现 了 悬停 的 自 由 度 运 动 。 制 造 了 机器 人 的 原 型 ， 并 且 进 行 了基 本 的 测 试 。 提 出 了动力 模 型 ， 运 动 方 程 和 非 线性 推 力 矢 量 。 旋 转 推 进 器的 高 非 线 性 在 反 推 位 置 控制 技 术的基础 上 实 现 了 其 控 制 。 仿 真显 示 了 机 器 人 防 御 海 流 的悬 停 能 力 。 在仿 真 的 结 果 中 ， 每 组 个 自 由 度 组 合 都 很 好 的被 控 制 ， 但 是 整 体 的 自由 度 的 控 制 仍 然 不 是 很 稳定 。 我们希望这个问题可以通过精密的调整或者应用其他的控制设计方法来解决它。 附录 第 Ⅳ 部分的推进器矢量映射矩阵如下表示 其中 是机器人的长度， 是机器人的宽度， ， 是旋转角度。 参考文献 , , , , , , , , , , , , , , , ,