海流干扰下网衣清洗机器人控制方法研究
12页1、 海流干扰下网衣清洗机器人控制方法研究 宋晨嘉, 刘贵杰, 马 琪, 王新宝, 田晓洁(1.中国海洋大学工程学院, 山东 青岛 266100; 2.中国人民解放军海军潜艇学院, 山东 青岛 266199;3.青岛森科特智能仪器有限公司, 山东 青岛 266001)网箱养殖是海洋产业中的重要产业,是中国海洋经济的重要增长点1。在网箱养殖的过程中,海洋生物在养殖网箱上的有害附着会阻碍水体流动,使养殖网箱内水体恶化,进而污染养殖环境,引起鱼病频发、养殖鱼类品质下降,严重时还会造成网衣破损。因此,对网箱网衣清理是非常必要的。传统网箱的网衣清洗主要以人工清除和药物清洗为主:人工清洗劳动强度大,且效率低;药物清洗价格昂贵、工序复杂2。随着渔业装备技术的发展,网箱网衣清洗设备应运而生。现有的网衣清洗机主要有机械毛刷网衣清洗机、射流毛刷组合网衣清洗机和高压射流网衣清洗机。国内、外一些公司、机构通过水下履带式机器人搭载网衣清洗装置,设计了几款网衣清洗机器人,如美国Yammar Marine公司采用高压水和毛刷结合的清洗方式,设计了履带式网衣清洗机器人;挪威AKVA group公司和MPI公司的网衣清洗装
2、备则是半自动的有缆洗网装置,其洗网作业是自动的,但是洗网装置的运动是依靠人工移动;广东海洋大学设计一种履带式深海网箱清洗机器人,依靠反冲装置和两组履带轮贴附网衣表面行走,同时以高压旋转式射流清洗网衣3。由于网衣清洗机器人多是履带式水下机器人,只能贴附网衣运动,运动范围受限,并且清洗时间较长,因此笔者所在课题组设计了一款新型网衣清洗机器人,该机器人可在水中全自由度运动,对网箱的网衣进行清洗。随着海洋工程技术的发展,开发和使用能够适应各种复杂环境的水下机器人的任务变得尤为重要4,而水下机器人的稳定运动控制是网衣清洗机器人有效工作的关键。水下机器人的控制方法有比例积分微分(PID)控制、模糊控制和滑模变结构控制、神经网络控制和模型预测控制等。Tehrani等5用PID控制器实现对数字高程模型(DEM)水机器人的定深控制。Shang等6将PID算法和模糊控制算法相结合,实现水下机器人的航向和速度的控制。Ishii等7在完成水下机器人航向控制、路径跟踪的过程中使用了自适应神经网络控制算法。Joe等8设计了一种滑模控制器,可实现水下机器人的三维轨迹跟踪。Sun等9通过使用自适应切换项的方法代替传统
3、方法,解决滑模控制中存在的抖震现象,实现水下机器人的轨迹跟踪。邹博10在对水下机器人姿态进行控制的过程中,使用新型非奇异滑模控制算法,解决了总段滑模控制器有奇异点的问题。在深水网箱养殖过程中,鱼类生长与养殖网箱内水体流动密切相关。养殖网箱内水流的速度决定了养殖网箱内部水体的交换速度,对箱内养殖环境有明显的影响1。同时,养殖网箱内水体的流动会影响网衣清洗机器人的稳定运动,因此,在海流干扰情况下,对网衣清洗机器人的稳定控制,也是网衣清洗机器人设计中的一个重要方面。本文建立了此款网衣清洗机器人海流干扰下的数学模型。针对网衣清洗机器人的工作方式和海流干扰,设计串级-前馈PID控制器,取得一定的控制效果。在串级-前馈PID控制器的基础上,增加模糊控制器,提高网衣清洗机器人抗海流干扰能力,并加快响应速度,改善控制效果。1 网衣清洗机器人模型对此款网衣清洗机器人建立三维模型,并根据模型进行分析后,建立了海流干扰下的网衣清洗机器人运动动力学模型。1.1 网衣清洗机器人简介网衣清洗机器人三维模型如图1所示,网衣清洗机器人由8个推进器组成,竖直方向有4个推进器,水平方向布置有4个推进器,可实现全自由度运动
4、。在机器人的两侧搭载滚轮毛刷。网衣清洗机器人调整姿态使滚轮贴附网衣,滚轮对向旋转,对网衣进行清洗。其工作状态如图2所示。图1 网衣清洗机器人Fig.1 Net clothing cleaning robot图2 工作状态示意图Fig.2 Working state diagram1.2 海流干扰下的网衣清洗机器人模型根据国际拖曳水池会议及造船和轮机工程学会推荐的坐标系11-12,建立了地面坐标系和机体坐标系两种右手坐标系。水下机器人在地面坐标系和机体坐标系下的速度转换用如下公式表示出来:(1)养殖网箱中有海流流动,网衣清洗机器人在网箱中工作时会受到海流的干扰。为便于网衣清洗机器人控制器的设计,本文建立海流干扰下的网衣清洗机器人模型。本文设计的网衣清洗机器人由水下机器人发展而来,因此网衣清洗机器人的运动动力学模型为:(2)式中:M为惯性矩阵;C(v)从为科式力矩阵;D(v)为阻尼矩阵;g()为重浮力矩阵;为推力矩阵。本文通过坐标间的变换,将海流干扰施加在网衣清洗机器人上。首先通过海流的流速、侧滑角、攻角等参数将海流分解在地面坐标系下,然后通过地面坐标系与机体坐标系间的相互转换,将分解在大
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