水下船体维护机器人控制系统研究.docx

摘 要
本文以水下机器人为研究对象，提出了水下机器人的运动学、动力学模型，并根据船体维护的工作要求设计了一种六自由度水下机器人，重点研究了水下机器人的运动控制。
本文的主要工作包括以下部分：
首先建立了水下机器人的六自由度运动的数学模型，具体包括动力学模型和运动学模型，分析了水下机器人的重力、负浮力、黏性水动力与惯性水动力、螺旋桨推进器推力、二阶波浪干扰力以及缆绳干扰力，根据实际机器人的特点与工作需要，对模型进行了必要而合理的简化，得出了水下机器人六自由度空间运动方程。
其次，在控制方法方面，本文总结了水下机器人的控制难点，并针对水下机器人的特点分析了主要控制算法的利弊，重点分析了模糊控制、模糊PID控制在水下机器人上的应用，并针对深度运动控制做了MATLAB仿真与3D虚拟样机的虚拟现实（VR）仿真，根据仿真结果对上述控制算法在水下机器人上的应用做了评估。
针对上述算法控制效果的不理想状况，分析选取了滑模变结构方法作为本课题的重点控制算法，并针对水下机器人模型进行了详细的分析与设计，分别对水下机器人垂向下潜单自由度运动和水下机器人全自由度运动进行了仿真，仿真结果表明，滑模变结构控制解决了水下机器人强耦合情况下的分散解耦，具有较好的鲁棒性，达到了预期的控制效果。
最后，本文设计了水下机器人控制系统迷你实验平台，采用uC/OS-II 嵌入式实时操作系统对下位机各任务实现调度与控制，任务针对实验需要对水下机器人功能进行了必要而合理的简化，基本实现了水下机器人运动控制的需要，完成了课题中需要的基本验证性实验，并建立了基于LabVIEW的上位机监控系统，通过串口实现了与下位机的实时通信。
文章最后在总结了本文研究成果的基础上，提出了大胆而合理的设想与展望。

关键词： 水下机器人，运动学模型，控制系统，滑模控制
Research on the Control System of Underwater Hull Maintenance Robot
Abstract
A Remote Operate Vechile (ROV) is specified as the research object ,and the dynamics and kinematics of ROVs system are analyzed and a new ROV of six degrees of freedom is designed according to the requirements of hull maintenance job.
This paper firstly analyzes the math model of ROV, including the gravity, the buoyancy, the hydrodynamics, the propeller thrust, second-order wave interference,and cable interference etc, which are then reasonably simplified.
The difficulty of motion control of ROV is summarized, the advantages and disadvantages of various commonly used methods are analyzed ,especially in Fuzzy and Fuzzy PID .The simulation based on MATLAB and 3D Virtual Reality against depth control is taken, and the result tells that commonly used methods are unable to solve the coupling problem.
Because of the coupling problem on the ROV motion control system, this paper takes the method of Sliding Mode Control (SMC) as the main method for the hull maintenance ROV. A detailed analysis and design are taken based on the kinematics of this ROV, the simulation of vertical dive single degree of freedom movement and full freedom of movement are both taken, and the simulation results show that the Sliding Mode Control can solve the strong-coupling problem and has better robustness.
Finally, a mini ROV system for experiment is designed using ATmega128 MCU and uC/OS-II RTOS, and 6 tasks are designed for the basic operation of ROV, and a LabVIEW program is designed to display the sensor information from ATmega128 via RS232.
At last, this paper proposes a bold and reasonable idea based on the summary of the research achievements.
Key Words： ROV , Kinematics model , Control system , Sliding Mode control

目 录

致 谢 I
摘 要 III
Abstract V
缩写和符号清单 XI
1 引言 1
1.1 课题的研究背景及意义 1
1.2 水下机器人的发展现状 3
1.3 水下机器人运动控制方法综述 7
1.4 本文的研究内容及主要工作 8
2 水下机器人的运动学模型及海洋干扰建模 10
2.1 坐标系选取与变换 10
2.1.1 固定坐标系 10
2.1.2 运动坐标系 10
2.1.3 船舶运动中的基本概念与主要符号表示 11
2.1.4 运动坐标系与固定坐标系的转换 12
2.2 空间受力分析 12
2.2.1 重力与浮力 12
2.2.2 推进器推力 13
2.2.3 流体水动力 16
2.2.4 缆绳干扰力 21
2.2.5 海流与海浪干扰力 21
2.3 六自由度空间运动方程 23
2.3.1 六自由度空间运动方程的一般形式 23
2.3.2 空间运动方程的简化 24
2.4 水下机器人模型搭建 24
2.5 本章小结 25
3 水下机器人单自由度控制 26
3.1 水下机器人航速控制与定向控制回路 26
3.2 虚拟样机与仿真模型的搭建 27
3.3 水下机器人定深控制与定高控制回路 32
3.3.1 定深控制模型 32
3.3.2 模糊定深控制器设计与仿真 33
3.3.3 模糊PID定深控制器设计与仿真 35
3.4 水下机器人定位控制回路 39
3.4.1 定位控制回路结构与简化模型 39
3.4.2 模糊PID水平定位控制仿真 41
3.5 本章小结 43
4 水下机器人变结构控制 44
4.1 模型的可控正则化 44
4.2 变结构控制器的设计 46
4.2.1 切换函数的设计 46
4.2.2 削弱抖振的控制策略设计 47
4.2.3 滑动模态的存在和到达条件证明 48
4.3 变结构控制系统仿真实验 49
4.3.1 静水域下定位控制仿真实验 49
4.3.2 海浪干扰下的悬停仿真实验 51
4.3.3 海浪干扰下的全自由度仿真实验 53
4.4 本章小结 54
5 水下机器人控制系统硬件系统与软件设计 55
5.1 硬件系统设计 56
5.1.1 下位机单片机模块 56
5.1.2 电机驱动模块 57
5.1.3 加速度计模块 58
5.1.4 水下机器人平台 59
5.1.5 上位机PC平台 59
5.2 软件实现 60
5.2.1 下位机软件 60
5.2.2 上位机软件设计 62
5.3 水下机器人性能试验 63
5.3.1 垂直下潜 64
5.3.2 水平直航 65
5.4 本章小结 67
6 结论 68
参考文献 69
作者简历及在学研究成果 75
独创性说明 77
关于论文使用授权的说明 77
学位论文数据集 79

缩写和符号清单
E-ξηζ 地球坐标系（固定坐标系）
O-XYZ 水下机器人坐标系（运动坐标系）
U=u v wT 运动坐标系下的水下机器人速度
Ω=p q rT 水下机器人在运动坐标系下的角速度
FΣ=X Y ZT 水下机器人所受合外力
MΣ=(K M N)T 水下机器人所受力矩
OE=(ξ0 η0 ζ0) 运动系坐标下机器人原点在固定坐标系中的坐标
Λ=φ θ ψ T 水下机器人的姿态角
（φ、θ、ψ分别表示横摇角、纵倾角和艏向角）
TT 由动坐标系到静坐标系的位置坐标变换矩阵
TR 由动坐标系到静坐标系的姿态坐标变换矩阵
W 水下机器人所受重力
B 水下机器人所受浮力
FS 水下机器人所受总静力
MS 水下机器人所受总静力矩
RC=(xC yG zC)T 水下机器人浮心在动坐标系下的坐标
RG=(xG yG zG)T ROV重心在动坐标系下的坐标
JxG、JyG、JzG 刚体相对于通过重心G的Gx轴、Gy轴、Gz轴的转动惯量
Ws、Bs 水下机器人的重力与浮力在固定坐标系下的表示
ρ 水密度
D 螺旋桨直径
J 螺旋桨进速比（进速系数）
KT 螺旋桨推力系数
KQ 螺旋桨扭矩系数
FH 水动力总力
λ 附加质量矩阵
FP 推进器合力
MP 推进器合力矩
Ti 单个螺旋桨的推力
U=(ux,uy,uz)T 海流速度
VR=(VRx,VRy,VRz)T ROV相对于海水的速度
FC 电缆力

1 引言
1.1 课题的研究背景及意义
常年出航的船舶，因为不断受到海水中的各种生物的附着而造成表面粗糙度大大增加，附着的海洋生物会慢慢在船体表面死去，有的会繁衍出下一代，使得船体表面的破坏程度增加。除水生物的影响外，船舶长期浸泡于海水中也会与海里的盐类发生电化学作用，使得船体表面被腐蚀，严重的还会使得船体腐蚀出漏洞。附着生物和海盐腐蚀作用严重影响着船舶的航行速度，加快燃油消耗，给环境也带来很大压力，同时也给船舶的生命周期带来重大危害，因此，对船舶表面的维护已经成为当今船舶工程的一个重要课题。
目前，船体表面清刷主要分为坞内清刷和水下清刷两类。
坞内清刷是指在船坞内进行的船体表面的清刷与维护工作，该工作的过程类似于消防喷水，由工作人员手持高压设备，在强压作用下将砂石或水喷向受损表面。在这方面，韩国大宇造船和海事工程公司研发了“船体真空喷砂机器人”采用绞盘系统[1]。可距地面35米高的地方作业，能够自动垂直移动并可追踪焊接线。
目前，水下清刷技术以潜水员携带水下清扫装置完成水下船体表面的清刷作业居多。而国外在这方面的技术己经相当成熟，如英国的UMC水下船体清刷装置，比利时的Subsea Idustries公司的MC系列水下清刷装置等[2]。水下作业清刷过程中需要一名潜水员潜入水下船体表面，手持清刷装置对船体进行清刷，如图1-1。

图1-1 UMC公司的Mini Pamper Vehicle手持设备的使用劳动强度大，风险性高，因此催生出一些新型的清刷设备，如美国Buttenvorth公司七十年代初研制成功SCAMP-A型清洗器，但其运动精度很低，需要间歇性由人工参与方式纠正其航行路线[3]。
在国内，水下清刷作业自1983年在湛江、厦门、天津、秦皇岛、烟台、大连等地建立了由救捞部门开展的业务以来，做了一定的工作，并引进了几台设备，但实际应用中存在着许多问题和困难，业务量较少[4]。
2005年10月，我国国内第一台船体清刷机器人在哈尔滨工程大学诞生，该机器人采用永磁体作为吸附机构能够强有力的吸附于船体表面，营造稳定的工作环境，清刷设备采用三套铁质丝刷，可采用不同速度对不同的船体表面进行清刷工作，在机器人上配置有水下采集图像功能，可以实时返回水下船体表面情况，该机器人属于水下遥控机器人，通过缆绳与母舰实现通信，并获得动力能源[5]。该机器人开辟了水下机器人的新的应用领域，具有非常广阔的应用前景。

图1-2 哈尔滨工程大学研制的国内首台船体维护机器人
2006年1月，3个水下智能机器人在甘肃兰州宣告诞生。这是由甘肃长城水下高技术有限公司研究开发的，首期投资100万元。它们分别是水下综合探测机器人、水下清刷机器人和小型机器人。其中，水下综合探测机器人和水下清刷机器人在国内尚属首例，而小型机器人则是引进国外技术合作的结晶。它们集“声成像”等高尖端技术于一身，在水下各具其能，能够完成人所无法完成的水下作业，且不受天气和环境影响，具有工作效率高、费用成本低的明显优势。
现有的水下船体维护机器人都是功能较少，智能性低，只能进行表面海洋生物清理，除锈和探伤，缺乏对船体的喷涂、螺旋桨清污、螺旋桨缠绕物清除等功能。
水下船体维护机器人结合船体维护需要，功能上满足一般作业船体船身清理需要的同时，进一步完善诸如喷涂、桨叶清污、缠绕物修剪等复杂功能，并对船体表面的受损程度作出评估，对船舶寿命作出预估分析，具有广阔的科研前景和巨大的使用价值。
1.2 水下机器人的发展现状
从20世纪70年代起，世界许多国家开始研制了多种不同结构和功能的水下机器人，现在已有几百种水下机器人作为商品出售，并在海洋开发中发挥着重要作用。当前常见的水下机器人包括无人潜水器（UUV——Unmanned Underwater Vehicle）及载人潜水器（HOV——Human Occupied Vehicle），无人潜水器又分为遥控水下机器人（ROV——Remote Operating Vehicle）和自治水下机器人（AUV——Autonomous Underwater Vehicle）[6]。
在众多水下机器人种类中，ROV技术是应用最广泛的，现在已在国外将ROV称为工业体系。
水下遥控机器人（ROV）最早产生于20世纪50年代，近些年来，美国、俄罗斯、日本、英国和法国等分别设计研制了自己特色的ROV系统，用于军事、资源勘探、地址考察等不同方面。最著名的机器人如美国的MAX Rover、日本的ROV KAIKO、美国的Scorpic ROV、美国的Perry RECON小型ROV等[7]。
电池技术的发展给ROV的发展带来很大的发展空间，电池的高效性会使得ROV更高效率的完成更好的工作，但是作为羁绊的电缆却给ROV以很大的限制，尤其是在深水空间中，但同时也给了ROV以通信、安全等优势。
一般来说，ROV在国外用于如下方面：
1）辅助观察——作为潜水员的辅助观察设备。
2）平台检测——对海洋环境进行视觉探查和仪器监测。
3）管线跟踪——跟踪水下管线检测管线状况。
4）钻探建造——海底建造、铺设、维护等操作。
5）打捞回收——定位寻找海底沉船，打捞回收海底文物。
6）废物清除——海上油污废物清理，船体维护。
我国对于研制遥控式水下机器人起步比较晚，然而到今天也形成了门类繁多功能齐全的水下遥控机器人，并且在海底勘探、海上救护等领域得到了广泛的应用。研究部门主要分布于中科院自动化研究所的水下机器人所和哈尔滨工程大学。其中沈阳自动化研究所研制的几种在役ROV机器人如表1-1所示。
表1-1 沈阳自动化研究所研制的几种ROV水下机器人
名称
时间
工作深度/m
速度/m·s-1
总功率/kW
质量/kg
海人一号
1979-1986
200
1
20
2198
RECON-IV-SIA
1986-1991
300
1.4
6
800
金鱼三号
1987-1989
100
1
0.2
34
HR-I-100
1996-1997
100
1
1.5
32
自治水下机器人AUV不配备主缆和系缆，因此它又称为无人无缆水下机器人（Unmanned Untethered Vechiles缩写UUV）。这类水下机器人携带能源，依靠自身的自治能力来管理自己、控制自己，以完成赋予它的使命，自治水下机器人也就因此得名。
在AUV方面，美国、加拿大、英国、法国、德国、意大利、俄罗斯、日本等国处于领先地位[6]。表1-2列出了一些国外具有代表性的AUV水下机器人及其重要参数和研发单位。
表1-2 国外有代表性的AUV水下机器人
名称
深度/m
重量/kg
速度/kn
用途
研发单位
AUSS
6000
1226
6
海底评估搜索
美国海军战斗系统研究中心
ABE
6000
544
2
海底调查
美国沃兹霍尔海洋研究所
Albac
330
45
3
海洋学测量
东京大学产业科学研究所
ARCS
400
1840
5
冰层下操作
加拿大ISER公司
ARUS
6000
--
2
水下远程调查
意大利Tecnomare公司
Aurora
3000
430
3.5
海洋科学调查
加拿大ISER公司
DOLPHIN
--
3275
16.5
稳定的传感器平台
加拿大ISER公司
DROV
6000
1000
2.3
研究工程方案验证
俄圣彼得堡国家海洋技术大学
EPAULARD
6000
2950
2
观察与检测
法国ECA公司
Fetch
305
77
9
海洋科学研究
美国SPI公司
FSII
610
386
--
水下搜索评估
美国海军战斗系统研究中心
Marius
600
1400
2.5m/s
水下环境调查
丹麦MAUVA公司
Martin
1000
635
3.2
观察调查搜索
丹麦MAUVA公司
MUST
610
8853
--
客户项目研究
美国Perry Technologies公司
Ocean Voyagerl
150
816
--
海岸区域使命
美国HBOI公司
Pteroa 150
2000
220
3
海底摄像
东京大学产业科学研究所
R-One Robot
400
4300
3.6
水下环境调查
东京大学产业科学研究所
我国在AUV的研制方面主要集中于哈工程和沈阳自动化研究所，其中沈阳自动化研究所的“探索者”号AUV已经完成下水，“CR-01”号AUV已经在国际深水域中完成了地质勘探、资源监测等重大项目的检测调查活动。“CR-02”号AUV同样在深水域进行资源勘探中起到了重要作用[6,8-10]。
载人潜水器相对于遥控水下机器人和自治水下机器人来说，是一个集成度很高的系统，在HOV中要满足很多限制性的条件来达到载人的目的，其中最使人关心的问题是人的生命安全问题，因此在HOV系统中要设计诸如适当的空气压力系统、呼吸系统、急救系统等复杂的生命安全系统，在本体保护方面要在满足载人能力的前提下设计能适应较大压力的结构外壳。
1554年在意大利诞生了世界上第一台潜水器，对以后的各种水下机器人产生了深远的影响。20世纪50年代以后，水下机器人开始以科考为目的出现在深水领域。1948年瑞士的皮卡德制造了“弗恩斯三号”，并下潜如水下1400米，成为载人水下机器人的新纪元。1951年，他与其后人制作了举世闻名的“的里雅斯特”号HOV，并且可以载入驾驶员以及两名其他人员，1955年，皮卡德将“的里雅斯特”号HOV转让给了美国，并从此与其儿子共同在美制作更强功能的HOV。1960年，父子两人制作的新“的里雅斯特”号HOV使得美国可以潜入10916米深度。
60年代以来，HOV大部分都装载了机器手，并配置了更多的检测设备，使得驾驶员有了更高的灵活性，对外部事物的操作有了更好的驾驭能力，如“阿尔文”号潜水器。这些HOV大小不一，功能各异，有的不到一千千克，有的重达上百吨，有的可以在水下潜航数月。
HOV可以完成多种科学研究及救生、修理、寻找、探查、摄影等工作。如“阿尔文”号曾找到过落入地中海的氢弹和“泰坦尼克”号沉船，服役40多年来，5000多次潜入海底。而在今年4月到6月备受世界关注的墨西哥湾漏油事件中，闯祸的英国石油公司曾动用无人深潜器下到海底参与堵漏施工。
深海潜水器体现一个国家的综合技术力量，是海洋技术开发的最前沿与制高点。国外目前的载人潜水器可用的有5台，分别为日本“深海6500”号、美国 “阿尔文”号、法国 “鹦鹉螺”号、俄罗斯 “和平”号及“密斯特”号。
我国第一台具有自主知识产权的“蛟龙号”深海载人潜水器继2010年7月13日在我国南海成功下潜到海平面以下3759米的记录后，又于2011年7月26日下潜试验中成功突破5000米水深大关，并成功回收至“向阳红09”船。经确认，此次下潜最大下潜深度达到5057米，创造了中国载人深潜新的历史。蛟龙号下一步将会继续探测7000米的深度，如果7000米成功蛟龙号的工作范围将会覆盖到全球海洋区域的99.8%的区域。“蛟龙号”深海载人潜水器如图1-3所示。“蛟龙号”载人深潜器在世界上同类型的载人潜水器中具有最大设计下潜深度——7000米，可在占世界海洋面积99.8%的广阔海域使用。
“蛟龙号”的技术突破包括抗压材料技术、深水信号传输技术、生命保障系统、控制系统四大方面，同时“蛟龙号”在动力系统、悬停及导航定位能力、水声通信、多种高性能作业工具等标志性作业成果方面均在世界同类研究中取得了突破性进展，标志着我国的深海潜水技术的跨越式发展，其技术难度不亚于载人航天技术。“蛟龙号”功能模块示意图如图1-4所示。

图1-3 我国第一台具有自主知识产权的“蛟龙号”深海载人潜水器

图1-4 “蛟龙号”功能示意图
“蛟龙号”载人潜水器是国家高技术研究发展计划（863计划）重大专项，自2002年启动，由中国大洋矿产资源研究开发协会具体负责项目的组织实施，并会同中船重工集团公司702所、中科院沈阳自动化所、声学所等国内约100家科研机构和企业联合攻关。
1.3 水下机器人运动控制方法综述
水下机器人控制系统是其机器智能的核心，其硬件包括不同带宽的导航仪器、任务传感器、系统传感器、推进器、执行机构、多个CPU及多个电源等。
控制系统是水下清刷机器人的神经中枢，它负责机器人的行走、转向和船体表面维护功能的控制以及现场传感器信号的处理。控制系统的功能就是对组成机器人的各分系统进行协调和控制，同时完成各系统状态的监视和显示。
与普通机器人相似，目前水下机器人控制系统采用的软件体系结构并不统一，大概有几十种，这些结构各有优劣。船体表面清刷机器人[4]系统在系统影响系统性能的几个关键位置上存在着不稳定性因素，会给机器人带来很大的性能限制，比如参数方面，水下机器人工作环境的无法确定性，非线性等。
水下机器人常用的控制器主要有PID控制、模糊控制、神经网络控制、模糊神经网络、模糊PID控制、滑模变结构控制等方法[11]。
（1） PID控制
PID控制器控制方式简单，采用现行控制方式，但是存在一些在水下机器人应用中难以实现的缺点，比如水下机器人的动态非线性与时变性无法满足PID控制所需的较为精准的数学模型，水下机器人的运行条件不断变化也很难准确的计算其水动力系数[12]。水下机器人的工作环境为海洋环境，海浪与海流的干扰复杂也使PID控制的使用受到了限制[13]。
（2）模糊控制
模糊控制自身的一些优点可以应用到水下机器人控制中，比如模糊控制不需要被控对象精确的数学模型，能够方便的实现对不确定系统及强非线性系统的有效控制，而且对过程及参数变化有很强的鲁棒性[11]。但如果单纯应用模糊控制到水下机器人也面临着模糊控制难以实现控制系统的稳定性和灵敏性问题，这是由模糊控制的语言表达式决定的。
（3）神经网络控制
水下机器人控制面临着强非线性和各个自由度的强耦合性问题，而神经网络控制可以充分考虑到水下机器人控制的这些特点，并且其学习机制可以适应、跟踪系统自身和外围环境的缓慢变化，而且不必完全了解系统的动态控制对象，所以神经网络控制较适合水下机器人控制[14]。但是水下机器人的结构和参数不易确定，在设计控制器时要求工程师对水下机器人的设计拥有良好的结构化经验和丰富的知识，并且当海流及海浪干扰随机性大、变化剧烈时，干扰的频率及幅度接近水下机器人的自身运动频率与幅度，神经网络控制的学习机制就存在明显的滞后，使得控制效果不佳，甚至出现振荡[15]。
（4）模糊神网络控制
充分利用神经网络的学习机制来构造器模糊控制系统，可以根据输入输出样本完成模糊系统的参数自动调整和设计，从而使模糊控制系统拥有自学习和自适应能力，这样就构成了模糊神经网络控制。水下机器人是一个有着强非线性和多自由度耦合的系统，工作环境又存在着未知和变化的因素，充分利用神经网络系统的学习机制[11]，使模糊控制在复杂多变的环境下自我调节完成系统控制需要，具有自适应自学习的能力。
（5）滑模控制
滑模变结构控制根据系统当前的状态（如偏差及其各阶导数等）有目的地不断变化，迫使系统按照预定“滑动模态”的状态轨迹运动，其利用高速的开关控制规律，使得系统状态轨迹渐进稳定在切换面上。它适用于线性与非线性、同步与时滞、低阶与高阶、连续与离散、集中参数与分布参数、确定性与非确定性等各种控制系统并在实际工程中逐渐得到推广应用。缺点是：在滑动面上存在波动，系统存在抖振问题[16]。
正是因为控制对象参数和外界干扰的影响对变结构控制滑动面的设计无关，以及变结构控制对被控对象的不敏感性和很强的抗干扰能力，滑动模态的完全自适应性，变结构控制成为水下机器人在近水面环境工作的有效控制方案，在水下机器人控制应用中得到很大重视[17]。
1.4 本文的研究内容及主要工作
本文根据水下船体维护需要，对水下机器人的控制系统进行了分析综述，分析并简化了水下机器人的数学模型，具体包括动力学模型和运动学模型，分析了水下机器人的重力、负浮力、黏性水动力与惯性水动力、螺旋桨推进器推力、二阶波浪干扰力以及缆绳干扰力，根据实际机器人的特点与工作需要，对模型进行了必要而合理的简化，得出了水下机器人六自由度空间运动方程。
控制方法方面，本文总结了水下机器人的诸多控制难点，并针对水下机器人的特点分析了主要控制算法的利弊，重点分析了模糊控制、模糊PID控制在水下机器人上的应用，并针对深度运动控制做了MATLAB仿真与3D虚拟样机的虚拟现实（VR）仿真，根据仿真结果对上述控制算法在水下机器人上的应用做了评估。针对上述算法控制效果的不理想状况，分析选取了滑模变结构方法作为本课题的重点控制算法，并针对水下机器人模型进行了详细的分析与设计，分别对水下机器人垂向下潜单自由度运动和水下机器人全自由度运动进行了仿真，仿真结果表明，滑模变结构控制解决了水下机器人强耦合情况下的分散解耦，具有较好的鲁棒性，达到了预期的控制效果。
针对控制系统的设计方法，本文最后设计了水下机器人控制系统迷你实验平台，采用uC/OS-II 嵌入式实时操作系统对下位机各任务实现调度与控制，任务针对实验需要对水下机器人功能进行了必要而合理的简化，基本实现了水下机器人运动控制的需要，完成了课题中需要的基本验证性实验。
文章最后在总结了本文研究成果的基础上，提出了大胆而合理的设想与展望。
2 水下机器人的运动学模型及海洋干扰建模
2.1 坐标系选取与变换
2.1.1 固定坐标系
在船舶操纵性分析中，为了定量的描述船舶的运动，常采用两种坐标系系统：固定于地球的坐标系E-ξηζ和固定于船舶的坐标系O-XYZ。
坐标系E-ξηζ的原点E可以取海面或海中的任何一点，本文根据国际上普遍采用的国际水池会议（ITTC）与造船和论及工程学会（SNAME）术语公报推荐的体系，E选取为t=0时刻船舶重心所在的位置，规定Eζ轴的正向指向地心，Eξ轴在静水平面内指向船舶纵向运动正方向，Eη轴选择为Eξ轴在静水平面内沿顺时针旋转90°的方向上[18]，如图2-1所示。E-ξηζ坐标系又被称作固定坐标系、地面坐标系、地球坐标系、静坐标系。
地球坐标系是惯性参考坐标系，在此坐标系下可以运用牛顿定律推理船体的运动学公式。
2.1.2 运动坐标系
固定于船体的坐标系O-XYZ又称为运动坐标系，坐标原点O取自船舶的重心处，随船体一起运动；OX 轴取为垂直于舯横剖面，指向船艏；OY轴取为舯纵剖面，指向右舷；OZ轴垂直于水线面，指向船底。如图2-1所示。

图2-1 固定坐标系E-ξηζ与运动坐标系O-XYZ
运动坐标系固定于船体上，随船舶做任意形式的运动，因此除了在做匀速直线运动的情况外，都不能被认为是惯性坐标系。
2.1.3 船舶运动中的基本概念与主要符号表示
船舶运动中概念众多，符号复杂，为便于叙述，本节对常用概念及主要符号表示予以说明。
参照图2-1，XOY平面称为水线面；YOZ面称为横剖面；XOZ面称为舯纵剖面；OX指向为船艏方向；OY指向为右舷方向；OZ指向船底方向。
在动坐标系中，原点的速度U=(u v w)T，u为纵向速度，v为横向速度，w为垂直甲板方向速度。
船舶绕某轴旋转角速度Ω=(p q r)T，p 横倾角速度，q 纵倾角速度，r偏航角速度。
船体所受外力FΣ=X Y ZT，X为纵向力，Y为横向力，Z垂直甲板方向的力。
船体所受的力矩MΣ=(K M N)T ，K为横倾力矩，M为纵倾力矩，N偏航力矩。
沿X轴的直线运动称为进退运动，沿X轴正向的运动称为前进，反之称为后退。沿Y轴的直线运动称为侧移运动或横移，沿Y轴正向的运动称为右移，反之称为左移。沿Z轴的直线运动称为潜浮运动，沿Z轴正向的运动称为下潜，反之称为上浮。
以Z轴为中心的旋转运动称为摇艏运动，艏向角右转为正，反之为负。
以X轴为中心的旋转运动称为横摇运动或横倾运动，横倾角右倾为正，反之为负。
以Y轴为中心的旋转运动称为纵倾运动，纵倾角抬艏为正，反之为负。
用符号φ、θ、ψ分别表示横摇角、纵倾角和艏向角，它们组成了运动坐标系相对于地面坐标系的姿态角。上述运动概念的符号表示如图2-2表示。

图2-2 船舶运动中的常用符号表示
本文研究的水下机器人对象模型与船舶模型有很多相同之处，故将船舶中的相关概念全部应用于水下机器人概念之中。
2.1.4 运动坐标系与固定坐标系的转换
固定坐标系虽然是惯性坐标系，但是很多情况下使用极为不便，例如用固定坐标系参数表达水下机器人的转动惯量时形式非常复杂。因此在分析船舶运动或水下机器人运动时，广泛采用动坐标系。只有在讨论水下机器人的空间轨迹时才应用固定坐标系。
由动坐标系到静坐标系的位置变换矩阵TT为：
TT=cψcθcψsθ-sψsφcφcψsθcφ+sψsφsψcθsψsθsφ+cψcφsψsθcφ-cψsφ-sθcθsφcθcφ （2-1）
由动坐标系到静坐标系的姿态变换矩阵TR为：
TR=1sφtθcφtθ0cφ-sφ0sφcθcφcθ
（2-2）
式（2-1）和式（2-2）中，s表示sin，c表示cos，t表示tan。
两坐标系之间的速度、角速度关系为：
ξηζφθψ=TT00TRuvwpqr （2-3）

式中，ξ η ζ φ θ ψ T表示静坐标系下的速度和加速度，u v w p q r T表示动坐标系下的速度和角速度，式（2-3）便是完整的两坐标系之间的运动学转换关系。
2.2 空间受力分析
研究水下机器人的运动学基础是对水下机器人所受外力有明确的分析与认识。水下机器人所受的空间外力包括静力、水动力、推进器推力以及海流海浪干扰力等。
2.2.1 重力与浮力
重力与浮力被统称为静力。负浮力是与水下机器人重力W以及浮力B相关的力，设水下机器人在运动坐标系中，重心位置为RG=(xG yG zG)T；浮心坐标为RC=(xC yG zC)T。
GP=PTP=S-1(Ws+Bs)RG×S-1Ws+RC×S-1Bs=W+BRG×W+RC×B （2-4）
式中Ws、Bs为重力与浮力在静坐标系下的坐标值，Ws=(0 0 W)T， Bs=(0 0-B)T，写成分量形式，运动坐标系下的总静力公式展开式[19]
FS=XPYPZP=-(W-B)sinθ(W-B)cosθsinφ(W-B)cosθcosφ （2-5）
MS=KPMPNP=yGW-ycBcosθcosφ-zGW-zcBcosθsinφ-zGW-zcBsinθ-xGW-xcBcosθcosφxGW-xcBcosθsinφ+yGW-ycBsinθ （2-6）
2.2.2 推进器推力
水下机器人运动通常是由推进器实现的，推进器在水中通过与水的作用力与反作用力形成对机器人的推力，若干分布在水下机器人不同位置的推进器各自产生相应推力，共同作用下的推进器合力与静力、水动力、干扰力等形成合力促使水下机器人产生各种运动。
（一）螺旋桨推进器推力计算
水下机器人常用螺旋桨作为推进器。螺旋桨相对于水的运动包括两部分：速度为vp(m/s)的平动，和转速为np(r/s)的旋转运动。水流与螺旋桨相互作用，在螺旋桨上产生推力Tp(N)和水的阻力矩Mp(Nm)，根据螺旋桨的工作原理，他们可用如下关系表示[20]：
Tp=KTρnp2D4 （2-7）
Mp=KQρnp2D5 （2-8）
式中：
ρ ——水的密度（约为1026 kg/m3）；
D ——螺旋桨的直径（m）；
KT ——螺旋桨推力系数；
KQ ——螺旋桨扭矩系数；
vp ——螺旋桨的平动速度（m/s）；
np ——螺旋桨的旋转速度（r/s）。
其中KT、KQ是无因次系数，都是进速比（进速系数）J的函数。进速比J定义为螺旋桨进程的相对值，可用如下式子表示：
J=vpnpD
（2-9）
通常KT和KQ是从特定桨型的图谱上获得的。对于不确定桨型的螺旋桨也可通过敞水试验获得。一般可认为KT和KQ曲线都近似于抛物线，从而近似表示为二次函数形式。
KT=KTJ=K0+K1J+K2J2 （2-10）
式中无因次常系数K0，K1，K2是根据螺旋桨的无因次推力特性曲线按上式拟合得到的。
实际螺旋桨是在船体上工作的，螺旋桨和船体成为一个系统，两者之间必然存在相互作用。螺旋桨工作于船后，会受到船体的影响，则螺旋桨的工作环境与敞水环境下不同，进入桨盘处的水流速度及其分布情况会给螺旋桨的推力带来影响，而船体周围的水流速度分布及压力分布受螺旋桨的影响也与孤立的船体不同[21]。工程上常常分别研究船体和螺旋桨的单独性能，之后再将两者联系起来考虑其相互影响[22]。
a）船对螺旋桨的影响