中國海產(chǎn)品養(yǎng)殖數(shù)量多且種類豐富,將水下機器人技術(shù)應(yīng)用于海產(chǎn)品的捕撈是經(jīng)濟可行的方式。目前海參均采用人工采收,效率較低。針對該現(xiàn)狀,本文設(shè)計了一種應(yīng)用于海參捕撈的機器人。用自治水下機器人為載體,在此基礎(chǔ)上,進行滿足海參捕撈要求的結(jié)構(gòu)設(shè)計,實現(xiàn)海參采收的自動化作業(yè)。該機器從結(jié)構(gòu)上可以分為采集機構(gòu)、分揀機構(gòu)與收集機構(gòu),并利用ANSYS Workbench仿真軟件對該機器的耐壓艙進行了水下靜力學的仿真與厚度的優(yōu)化,在滿足工作要求的前提下,減小了殼體厚度,降低了成本,同時也減少了機器整體負重。對水下機器人建立了兩種坐標系,固定坐標系E-(?)和運動坐標系O-xyz,利用葛特勒方程建立機器六自由度的運動學方程,分析其運動情況。根據(jù)實際作業(yè)環(huán)境對捕撈機器人的受力情況進行分析,估算出了慣性類和粘性類水動力系數(shù)�；谶\動方程和各項系數(shù),建立了垂直面和水平面的運動模型,利用PID控制器,給定合適的KP、Kl和KD數(shù)值,對艏向角、縱傾角和深度的運動姿態(tài)進行穩(wěn)定性分析。最后簡要分析了水下環(huán)境對機器定位的影響,對圖像進行濾波處理、圖像模糊增強和邊緣輪廓檢測,使機器精確定位,以不同的運動姿態(tài),實現(xiàn)對不同區(qū)域的海參捕撈。海參分布在養(yǎng)殖基地的各個區(qū)域,需要采用遍歷式的路徑規(guī)劃完成捕撈。首先建立柵格地圖模擬水下真實環(huán)境,利用A*算法完成避障功能。比較了內(nèi)螺旋算法與田埂式算法在路徑規(guī)劃時的能量消耗,以及遇到障礙物時的航行軌跡,選擇了內(nèi)螺旋算法進行全局路徑規(guī)劃。最后將內(nèi)螺旋算法與A*算法結(jié)合,使機器在遇到障礙物時,尋找到可以工作的最近區(qū)域,完成障礙物存在時水下全局路徑規(guī)劃。由于水下運動的復(fù)雜性、非線性與流固耦合效應(yīng),基于ANSYS FLUENT對水下機器人進行了流體動力學的分析。建立流體包圍域模擬水下環(huán)境,選擇了湍流模型,經(jīng)過CFD(Computational Fluid Dynamics)仿真,模擬了該水下機器人在水下捕撈作業(yè)時的運動,得到了不同運動速度下的阻力系數(shù),速度分布圖和壓力云圖,便于分析水下機器人的水下運動情況。本文完成了該自主型水下海參捕撈機器人的設(shè)計與動力學仿真,實現(xiàn)了海參捕撈自動化,提高了捕撈效率,具有較大的實際應(yīng)用意義。
【學位單位】：哈爾濱商業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：U674.941;TP242
【文章目錄】：
摘要
Abstract
1 緒論
    1.1 課題研究的背景及意義
    1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.2.1 國外研究現(xiàn)狀
        1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀
    1.3 捕撈水下機器的關(guān)鍵技術(shù)
    1.4 捕撈水下機器人的發(fā)展趨勢
    1.5 論文的主要工作內(nèi)容
2 海參捕撈水下機器人總體設(shè)計
    2.1 捕撈水下機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計
        2.1.1 捕撈水下機器人外形結(jié)構(gòu)的設(shè)計
        2.1.2 捕撈裝置設(shè)計
        2.1.3 分揀裝置設(shè)計
    2.2 基于ANSYS的耐壓殼體強度分析
    2.3 基于目標驅(qū)動優(yōu)化的耐壓殼體優(yōu)化設(shè)計
    2.4 本章小結(jié)
3 捕撈機器人穩(wěn)定性分析與水下環(huán)境對海參定位的影響
    3.1 捕撈水下機器人的運動方程
        3.1.1 坐標系的建立
        3.1.2 運動方程的建立
    3.2 捕撈水下機器人受力分析及水動力系數(shù)的計算
        3.2.1 捕撈水下機器人運動時的受力分析
        3.2.2 粘性類水動力與慣性類水動力系數(shù)的計算
    3.3 捕撈機器人運動姿態(tài)的穩(wěn)定性分析
        3.3.1 平面運動控制方程
        3.3.2 PID控制模型的建立
        3.3.3 捕撈機器人運動姿態(tài)的PID仿真
    3.4 水下環(huán)境對海參定位的影響
        3.4.1 水下海參圖像濾波處理
        3.4.2 水下海參圖像模糊增強
        3.4.3 數(shù)字圖像中海參的輪廓提取
    3.5 本章小結(jié)
4 捕撈水下機器人避障設(shè)計與全局路徑規(guī)劃
    4.1 創(chuàng)建海參捕撈環(huán)境的柵格地圖
*算法的實時避障功能的實現(xiàn)'>    4.2 基于A^*算法的實時避障功能的實現(xiàn)
        4.2.1 水下機器人避障算法研究概述
*搜索算法的捕撈水下機器人避障設(shè)計'>        4.2.2 基于A^*搜索算法的捕撈水下機器人避障設(shè)計
    4.3 海參捕撈水下機器人遍歷式路徑規(guī)劃
        4.3.1 田埂式全局路徑規(guī)劃的實現(xiàn)
        4.3.2 內(nèi)螺旋式全局路徑規(guī)劃
    4.4 捕撈水下機器人遍歷式算法的優(yōu)化
    4.5 本章小結(jié)
5 捕撈水下機器人流體動力學仿真
    5.1 計算流體動力學基礎(chǔ)
    5.2 基于FLUENT軟件對捕撈水下機器人的CFD仿真
        5.2.1 流體域的建立及網(wǎng)格的劃分
        5.2.2 邊界條件參數(shù)的設(shè)置
        5.2.3 CFD前處理設(shè)置
    5.3 捕撈水下機器人流體動力學仿真結(jié)果
    5.4 本章小結(jié)
結(jié)論
參考文獻
攻讀學位期間發(fā)表的學術(shù)論文
致謝

【參考文獻】

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本文編號：2864901