水下机器人模糊控制器设计

毕业设计（论文）（2015届本科）题目：水下机器人模糊控制器设计学院：工程学院专业：电气工程及其自动化班级：11电气1班姓名：韩文杰学号：1127123指导教师：周悦2015年6月I目录1.绪论...................................................................21.1.水下机器人的现状与发展趋势........................................21.1.1水下机器人的发展历史........................................21.1.2水下机器人的发展趋势........................................21.2.水下机器人的分类..................................................21.4.水下机器人运动控制概述............................................41.5.本毕业设计的主要内容和组织结构....................................52.水下机器人的数学模型...................................................62.2.坐标系及运动参数的选取............................................62.3.平面运动假设......................................................72.4.空间操纵运动方程..................................................82.5.水动力运动方程及垂直面动力方程....................................92.6.本章小结.........................................................113.水下机器人的PID控制..................................................123.1PID控制原理.......................................................123.2基于PID的水下机器人控制系统......................................133.3本章小结..........................................................154.模糊控制器及在水下机器人控制中的应用..................................164.1模糊控制的产生及发展..............................................164.2模糊数学基础......................................................174.3模糊控制系统的组成................................................174.3.1模糊化.......................................................174.3.2知识库.......................................................184.3.3模糊推理.....................................................184.3.4去模糊化（清晰化）...........................................184.4控制变量的选取及模糊控制规则设计...............................184.5本章小结..........................................................215水下机器人模糊控制系统的构建及仿真实验.................................22II5.1系统设计..........................................................225.1.1Simulink实验箱组件、模糊工具箱.............................225.1.2系统操作显示................................................235.2系统实验显示界面...............................................26结论.....................................................................29展望.....................................................................29谢辞.....................................................................30参考文献.................................................................31上海海洋大学2015届毕业设计（论文）水下机器人模糊控制器设计第1页共31页水下机器人模糊控制器设计摘要：近几十年来，随着海洋资源开发以及江河、湖泊等水下领域各种作业任务的需要,水下机器人得到了迅猛的发展。为了提高水下机器人运动控制性能以更好的完成指定任务,水下机器人运动控制技术的研究就成为了一个重要的研究课题。本毕业设计旨在探讨模糊控制技术在水下机器人定位控制中的应用。本毕业设计首先分析了水下机器人六个自由度空间动力学模型，,建立了水下机器人的定位系统的传递函数；然后，设计了水下机器人定位的PID控制器，仿真结果表明常规PID控制器在被控对象已知的情况下能够获得较好的性能；其次，研究了模糊控制的原理，设计了水下机器人定位系统的模糊控制器，并在MATLAB模糊控制工具箱中进行了模糊控制器实现，与PID控制器仿真实验结果对比分析表明：当被控对象发生变化时因PID参数不能进行相应的改变，PID控制系统难以达到性能要求，而模糊控制器无论被控对象是否已知和变化都能对其产生很好的适应，达到控制系统的性能要求。关键词：水下机器人；定位模型；PID控制；模糊控制。FuzzycontrollerdesignforunderwaterrobotAbstract：Inthelastfewdecades,withthedevelopmentofmarineresourcesandtheneedofvarioustasksinrivers,lakesandotherunderwaterareas,theunderwaterrobothasbeendevelopedrapidly..Inordertoimprovetheperformanceofunderwaterrobotmotioncontrol,theresearchonthemotioncontroltechnologyofunderwaterrobotbecomesanimportantresearchtopic..Thegraduationdesignistoinvestigatetheapplicationoffuzzycontroltechnologyinthepositioningcontrolofunderwaterrobot.Thispaperfirstanalyzestheunderwaterrobotwithsixdegreesoffreedomdynamicmodel,transferfunctionisestablished,theorientationsystemofunderwaterrobot;then,aPIDcontrollerisdesignedforunderwaterrobotlocalization,thesimulationresultsshowthattheconventionalPIDcontrollercanachievegoodperformanceintheobjectofknownsituation;second,studytheprincipleoffuzzycontrol,afuzzycontrollerisdesignedforunderwaterrobotpositioningsystem,andtheMATLABfuzzycontroltoolboxoffuzzycontroller,comparedwiththeexperimentalresultsofPIDcontrollersimulationanalysisshowsthat:whenthecontrolledobjectchangesduetothechangeoftheparameterisnotPID,PIDcontrolsystemisdifficulttomeettheperformancerequirements,andfuzzynomatterwhetherthecontrollerobjectisknownandchangescangeneratewelladaptedtoit,reachtheperformancerequirementsofthecontrolsystem.Keywords：Underwaterrobot；Positioningmodel;PIDcontrol;Fuzzycontrol上海海洋大学2015届毕业设计（论文）水下机器人模糊控制器设计第2页共31页1.1.绪论1.1.水下机器人的现状与发展趋势1.1.1水下机器人的发展历史海洋工作者进行直接观察的愿望，促进了水下机器人的实际应用。1884年法国自然科学家密尔恩·爱德华教授第一次潜入了西西里岛附近的海域进行水下考察。二十世纪三十年代，苏联生物学者采用潜水装具对渔业区进行了科学观测。1927年地质学家M.B.科列诺夫教授，在塞瓦斯托波尔市附近乘钟形潜水装置潜入45米水深处，进行观测和搜集土样。在此期间，意大利、法国和美国也都进行了水下考察。美国威廉·比布教授提议，把学者潜海考察载入史册。他本人曾在百慕大群岛乘潜水球潜到960米处。从二十世纪五十年代开始，对水下考察的兴趣逐日增加。而进入了二十一世纪后，人类更加强烈地感受到陆地资源日趋紧张的压力，这是人类面临的最现实的问题。在争先恐后向海洋进军发展的今天，水下机器人技术作为探索海洋奥秘的重要手段必定会受到人们的重视。1.1.2水下机器人的发展趋势未来为了提升智能水下机器人的性能、使用的方便性和通用性，降低研制风险，节约研制费用，缩短研制周期，保障批量生产，智能水下机器人整体设计的标准化与模块化是未来的发展方向。在智能水下机器人研发过程中依据有关机械、电气、软件的标准接口与数据格式的要求，分模块进行总体布局和结构优化的设计和建造。智能水下机器人采用标准化和模块化设计，使其各个系统都有章可依、有法可循，每个系统都能够结合备协作系统的特性进行专门设计，不但可以加强各个系统的融合程度，提升机器人的整体性能，而且通过模块化的组合还能轻松实现任务的扩展和可重构。1.2.水下机器人的分类对水下机器人分类，目的是为了确定利用水下机器人进行海洋考察和水下工程的长远科研任务。其次，根据分析整理的资料，为了预测水下机器人的发展方向，就要先预测使用方法的发展方向，也可以采用某种长期起作用的分类。因此，水下机器人可以根据下述五种