随着全球陆地资源的锐减，以及人类的发展和社会的进步，人们已经慢慢的把对自然资源的需求从资源匮乏的陆地转移到物产丰富的海洋了。在整个系统潜入海底进行作业的过程中，水下遥作业系统得到了广泛的应用。水下遥作业系统是一个动力学耦合和运动学冗余的非线性时变的多体系统，系统的组成部分，水下机器人及载体和机械手间的协调控制的研究也就成了各国科学家们研发的一个非常重要的方向，这些在水下机器人的研究领域都有着十分重要的作用。本文主要做以下几个工作对机械手和水下机器人分别进行水下运动和受力情况的分析，接着对两者建立对应的动力学和运动学方程。为整个水下遥作业系统的整体建模做一个铺垫。因为平常使用的拉格朗日方程是专门对静坐标系（大地坐标系）下的运动而言的，然而，水下遥作业系统的运动一般情况下是基于运动坐标系建立的，因此，根据两个坐标系之间的相互转换，选择准拉格朗日方程来建立整个系统的动力学模型。因为整个系统是一个多个自由度的冗余系统，所以，选择运动分配和关节限位的知识来对系统做一个相对合理的运动规划，这与常规的最小范数解的算法相比较的话具有比较明显的优越性。然后，对整个作业系统的模型做出运动轨迹和运动姿态的控制器设计，并且对滑模控制算法也进行研究，设计一个拥有良好鲁棒性的滑模控制器，对系统的每一个自由度进行单独控制，观察每个自由度对系统作业的影响，同时，对整个水下遥作业系统进行一个基于指数趋近律和准滑动模态的改进。最后，对基于指数趋近律的滑模控制算法以及改进算法、基于变速趋近律的滑模控制算法、两者结合的控制算法、对位置和速度进行跟踪的仿真结果与分析。关键词水下遥作业系统、运动规划、滑模控制
目录
第一章 绪论 4
1.1研究背景 4
1.2水下机器人的研究现状和发展趋势 5
1.2.1发展现状 5
1.2.2发展趋势 5
1.2.3作业系统的研究概述 6
1.3国内外研究现状 6
1.3.1运动规划 6
1.3.2系统动力学建模 7
1.3.3系统的控制算法研究 7
1.4本章小结 7
第二章 水下机器人和机械手两个子系统的建模 8
2.1引言 8
2.2水下机器人的运动基础——坐标系
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的建立 9
2.2.1两大坐标系（静坐标系
和动坐标系
） 9
2.2.2．两大坐标之间的相互变换 10
2.3水下机器人的外力分析和运动方程 11
2.3.1．静坐标系下的平移运动方程 11
2.3.2．静坐标系下的旋转运动方程 13
2.3.3．外力 14
2.4机械手部分的外力分析与建模 18
2.4.1．机械手的水动力分析 18
2.4.2．机械手的动力学方程 19
2.5本章小结 20
第三章 水下遥作业系统的分析研究 20
3.1引言 20
3.2系统两大模型的建立 21
3.2.1 运动学建模 21
3.2.2 系统的动力学建模 22
3.3加权最小范数解法 24
3.4系统的运动分配和关节限位 25
3.4.1．运动分配 25
3.4.2．关节限位 27
3.5本章小结 28
第四章 水下遥作业系统控制算法的概述 28
4.1引言 28
4.2滑模控制的基本原理 28
4.3滑模控制的不变性及趋近律 30
4.4滑模控制器的设计步骤 31
4.5本章小结 32
第五章 系统滑模控制算法的研究与仿真 33
5.1引言 33
5.2滑模控制中存在的问题——抖振 33
5.3切换函数的设计 34
5.4带有卡尔曼滤波器的滑模控制 36
5.4.1滑模控制算法 36
5.4.2 卡尔曼滤波器原理 36
5.4.3带有卡尔曼滤波器的滑模控制的仿真 37
5.5基于指数趋近律的滑模控制 39
5.5.1基于指数趋近律的滑模控制策略 39
5.5.2基于指数趋近律的滑模控制的改进算法 41
5.5.3基于指数趋近律的离散滑模控制跟踪 41
5.5.4基于指数趋近律滑模控制的仿真结果 43
5.6本章小结 46
总结 47
致谢 48
参考文献 49
第一章 绪论
1.1研究背景
时至今日，随着陆地资源的逐渐减少以及海底资源的开发和利用，陆地上的资源已经越来越不能满足人类社会的发展和进步，人们也将目光更多的转向物产丰富的海底世界。海洋也慢慢成为全球各个国家发展高新技术、争取利益、开展合作关系的主要场所。由于海洋环境的恶劣以及人类自身的极限，使得海洋的开发和探索成为巨大的挑战，但海洋中丰富的资源对各国的发展起着很大的作用，有着极强的吸引力。因此，自从上世纪50年代世界上第一台水下机器人下水以来，经过半个多世纪人类的不懈努力和科学研究，水下机器人技术得到了快速的发展，成为了目前人类研发出的最好的开发海洋资源的重要手段，水下机器人在海底资源的开采、打捞以及军事方面都得到了广泛的应用。
水下机器人主要分为两种，无人水下机器人和载人潜器，而无人水下机器人又被分为有缆水下机器人（遥控水下机器人ROV）和无缆水下机器人（自治水下机器人）。有缆水下机器人中缆绳的长度成了限制水下机器人的主要因素，影响了ROV的自主性和灵活性。而无缆水下机器人却不受缆绳的约束和限制，因此无缆水下机器人逐渐得到各国专家和学者们的青睐，但它下水时自身携带的能源不能提供长时间内的作业，所以能耗也成为主要的限制因素。
水下机器人中，发展最快、技术最完善的当属ROV，ROV通过与陆地上相连接的电缆获得作业需要的能源，同时上面的人也不断的得到ROV发出的实时信息，并对ROV发出指令进行远程遥控。ROV因其成本低、吊放回收方便、水下部分体积小以及操作维护简单等优点，已得到了广泛的应用。从目前人类对水下机器人的研发水平来看，ROV成为海洋资源开发中最为有效的工具，强大的水下作业能力使其慢慢走向产业化。
为了完成复杂的水下作业任务，水下机器人需携带可以进行小范围操作的机械手作业工具，水下机器人和携带的机械手便组成了可以进行水下作业的复杂系统，而两者的协调在很大程度上决定着整个系统的控制效果，因此，本文将对两者组成的系统进行协调控制的研究，做合理的运动分配，来提高水下遥作业系统的跟踪精度和复杂环境中作业的能力。
1.2水下机器人的研究现状和发展趋势
1.2.1发展现状
ROV的雏形是上世纪50年代由几个美国人将摄像机密封放在海底探索海底世界的秘密而形成的。1960年，美国研发出了世界上第一台水下机器人，命名为CURV1，因在西班牙外海找到一颗失落在海底的氢弹而引起了巨大的轰动。由于海洋工程的需要，以及计算机等高新技术的发展，ROV的研发也得到了快速的发展。
目前，全球的水下机器人型号至少在270种以上，重量从几千克到20吨以上不等。海底作业深度也已达10000米以上。在ROV的技术研究上，一些发达国家，如美国、英国、意大利、日本等都处于世界领先水平。而我国ROV的开发主要开始于上世纪70年代末，经过这么多年的发展，我国的ROV水平也有了实质性的进步。如1986年，上海交通大学和中科院联合研发的以海洋石油开发、打捞救生为应用背景的无人遥控水下机器人“海人一号”；1993年在大连海湾进行的“8A4水下机器人”海上试验，以及技术和性能已达世界先进水平的带自动升降补偿绞车和两个机械手的“海龙——七型”水下作业系统，都代表了国内水下机器人研发的最高水平。

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