摘 要

近年来由于陆地资源的匮乏，人们逐渐将研究的重点转移到海洋湖泊，而我国的江河湖海水域众多。因此，水下机器人作为开发水下资源的重要手段得到迅速的发展，而水下机器人的研究重点是运动控制技术。为了提高水下机器人的性能，满足更多的工作需求及提高工作效率，使水下机器人可以更好的执行任务和水下操作，需要稳定可靠的运动控制系统。

本文借助了Matlab仿真软件主要探讨了模糊PID技术在水下机器人运动控制中的应用，选择模糊PID方法因为考虑到它是一个强非线性、耦合的系统。首先，本文创建了水下机器人的基本坐标系，然后分析了来自水下机器人的空间作用力，以获得航向角，爬升角和深度的控制模型。接下来，介绍了PID控制技术和模糊PID控制技术的基本知识，并在Matlab中建立了PID控制器和模糊PID控制器，并进行了实验仿真，以比较和分析仿真结果。

研究结果表明两种控制器都可以用于水下机器人的运动控制，模糊PID控制的优点是过载少，系统稳定，并且更适合水下机器人的运动控制。

关键词：水下机器人；PID控制；运动控制；模糊控制

Abstract

In recent years, due to the lack of land resources, people have gradually shifted the focus of their research to ocean lakes, and there are many rivers and lakes in my country. Therefore, underwater robots have been rapidly developed as an important means of developing underwater resources, and the research focus of underwater robots is motion control technology. In order to improve the performance of underwater robots, meet more work needs and improve work efficiency, so that underwater robots can perform tasks and underwater operations better, a stable and reliable motion control system is needed.

With the help of Matlab simulation software, this paper mainly discusses the application of fuzzy PID technology in the motion control of underwater robots. The fuzzy PID method is selected because it is considered to be a strongly nonlinear and coupled system. First, this article creates the basic coordinate system of the underwater robot, and then analyzes the spatial force from the underwater robot to obtain the control model of the heading angle, climb angle, and depth. Next, introduced the basic knowledge of PID control technology and fuzzy PID control technology, and established PID controller and fuzzy PID controller in Matlab, and carried out experimental simulation to compare and analyze the simulation results.

The research results show that both controllers can be used for the motion control of underwater robots. The advantages of fuzzy PID control are less overload, stable system, and more suitable for underwater robot motion control.

Key Words： Underwater robot; PID control; motion control; fuzzy control

目录

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2国内外研究现状 2

1.3 论文主要工作 3

第2章 水下机器运动建模 4

2.1 水下机器人运动数学模型 4

2.1.1 坐标系的选取 4

2.1.2 坐标系转换 5

2.1.3 运动参数的表示 6

2. 2空间运动方程 7

2.3 水下机器人受力分析 8

2.3.1 流体水动力 9

2.3.2 重力和浮力 12

2.3.3 水下推进器推力 12

2.4 水下机器人运动控制方程 13

2.4.1 水平面运动 13

2.4.1 纵垂面运动 14

2.5 本章小结 15

第3章 模糊PID控制 16

3.1 PID控制 16

3.1.1 引言 16

3.1.2 PID控制原理 16

3.1.3 艏向角PID控制系统仿真 17

3.1.4 纵倾角PID控制系统仿真 18

3.1.5 深度PID控制系统仿真 19

3.2 模糊控制 21

3.2.1 模糊控制的基本原理 21

3.3 模糊PID控制 23

3.4 本章小结 25

第4章 模糊PID控制建模仿真 26

4.1 设计模糊PID控制器 26

4.1.1确定语言变量 26

4.1.2参数自整定模糊规则 26

4.1.3调试模糊推理系统 27

4.2仿真 27

4.2.1艏向角仿真 28

4.2.3纵倾角仿真 29

4.2.4深度仿真 30

4.3 经济环境分析 31

4.4 本章小结 31

第5章 结论 32

5.1 全文小结 32

5.2 进一步的研究工作 32

参考文献 34

致谢 36

绪论

1.1引言

1.1.1 研究内容

研究的基本内容是运用PID控制算法，研究提高水下机器人运动控制性能的方法以及改善运动控制效果，使其能够在复杂的内河及未知洋流干扰下，系统仍保持稳定可靠。系统建模部分考虑基本的空间运动方程，之后分析受力代入参数并简化方程。控制方法方面介绍了PID控制，考虑到强非线性的系统，引入模糊思想，得出模糊PID在水下机器人运动控制中的应用。