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潜入水:设计一个基于PX4水下机器人与MATLAB
在今日的帖子里,力平从学生项目团队将共享一个学生团队如何使用MATLAB和PX4平台设计一个水下机器人,赢得了中国研究生电子设计竞赛(GEDC)在2022年。交给你了,力平…
法官在GEDC MathWorks奖,最著名的比赛对于中国的研究生,我很高兴看到很多创新每年工作的学生。
去年,在超过900个条目,我非常深刻的印象来自西南石油大学研究小组的工作,黄三个研究生洁具,Lixiao刘和张愿用MATLAB设计和开发一个水下机器人,并获得了第一奖2022年GEDC MathWorks奖。让我们看看他们的机器人是如何工作的。
多么神奇的水下机器人,对吧?它有一个新型的矢量推进系统由三个球形磁耦合矢量推进器。该团队使用MATLAB算法仿真和发展。让我们看到他们的工作的细节!
算法设计
传统水下机器人通常使用多个固定推进器实现多自由度(自由度)推进。与固定的推进器相比,矢量推进器的优点更多的自由度,减少寄生推力,和更高的效率。
然而,与多个向量推进器,如何建立推进器的布局和分配所需的推力推进器中应该精心设计。
找到一个合适的配置推进器的布局,这样可以实现6自由度解耦广义最大推力,设计团队会算法优化安装位置和角度的三个向量推进器如下。
推进器的结构布局配置算法
最佳推进器的布局,下一个问题是如何分配所需的6自由度广义三可重构推进器推力。
团队形式化的问题转化为一个凸优化问题的目标是最小化误差的总和和能耗考虑最佳推进器的布局和角和磁耦合推进器的推力限制。他们用传统的拉格朗日方法来解决这个问题,找到最优控制实时分配。
凸优化控制分配
运动控制,该团队使用推方法在水平面稳定跟踪误差基于李雅普诺夫函数,和PID算法控制深度的垂直平面。此外,他们使用RBF网络补偿的饱和输出向量推进器。
模拟
团队实现算法在MATLAB仿真软件构建模型模拟,所以团队可以调整,测试,和设计验证的算法不做实验原型,从而节约时金宝app间和成本。仿真软件金宝app模型的建立包括三个主要模块:控制器,控制分配和机器人动力学。
金宝app水下机器人的仿真软件模型
每个模块是建立与模型库提供的模型和一些手写的MATLAB函数。金宝app例如,下图显示了机器人动力学模型的仿真软件。金宝app
机器人动力学仿真软件金宝app
下面的图显示了从轨迹跟踪仿真结果,在那里你可以看到同步控制算法效果很好。
轨迹跟踪仿真的结果
发展
然后团队开发了水下机器人的模块化和总线设计,他们使用Holybro Pixhawk 4,开源硬件基于Pixhawk FMUv5项目沟通和控制计算平台。
水下机器人的模块化和总线设计
PX4是一个开源平台,广泛用于自治系统发展,尤其是无人机。它最初是由洛伦兹迈耶在2011年,现在已经发展成为一个大型的开源社区。
该团队使用MATLAB编码器自动生成控制分配算法为C代码,然后部署代码PX4控制器与轻微的变化。使用MATLAB代码生成编码器救了他们的开发时间和精力。
实验
最后,团队做了一些实验来测试原型的性能。下面的图显示了一个实验的结果时,水下机器人将自动跟踪轨迹在池中。
轨迹跟踪实验结果
由于他们的创新设计和生产的结果,团队不仅MathWorks一等奖的获奖也整个第二GEDC奖2022 !祝贺团队成员,以及他们的导师副教授于王西南石油大学在中国!
帮助团队提升他们的出色工作,我们邀请他们的水下机器人在2023年世博会CN MATLAB EDU演示展台,2023年6月8日在北京举行。在活动期间,他们收到了很多的关注和赞扬从学院和行业参与者。
团队展示了机器人在CN MATLAB世博会
对于未来的工作,团队可以了解更多无人机的工具箱支持包PX金宝app4®蒙特里。支持包,他们可以直金宝app接访问自动驾驶仪从MATLAB和Simulink外围设备。金宝app支持包和嵌入式编码金宝app人员,他们可以自动生成C / c++代码和使用PX4工具链来构建和部署算法专门适应不仅Pixhawk Pixracer飞行管理单位(FMUs)。这将帮助他们采用基于模型的设计一个先进的开发工作流程,是广泛应用于工业,实现更高效的设计和部署在未来。
最后,希望学生的经验、知识和MATLAB技能可以帮助他们有一个辉煌的未来!期待更多的优秀条目GEDC 2023 !
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