3D打印小型水下機器人ARMs：水下機器人ARMs 1.0是一款集教學與科研目的為一體的便攜式小尺度流線形水下機器人，其滿足日常學生船舶原理和自控原理相關教學實驗的同時，兼顧流體力學分析、船舶操縱性研究、導航制導控制設計等學科專業研究。

1、概述

水下機器人ARMs 1.0是一款集教學與科研目的為一體的便攜式小尺度流線形水下機器人，其滿足日常學生船舶原理和自控原理相關教學實驗的同時，兼顧流體力學分析、船舶操縱性研究、導航制導控制設計等學科專業研究。本平臺提供一套便攜式水下機器人硬件組件，基本的艇載嵌入式運動控制程序和岸基監控軟件，便于開展學習船舶原理、控制系統設計和集成、嵌入式程序編寫和調試、自控算法設計和驗證、岸基監控軟件開發和聯調等方面工作，完整系統具備遠程遙控操縱、自主操縱性試驗、自主循跡航行等能力。

ARMs 1.0系統組成見圖1，其由水下機器人本體和岸基監控組成，兩者通過光纖、WiFi或無線電進行通信。

   圖1 ARMs 1.0系統組成

2、3D打印小型水下機器人ARMs系統特點

?模塊化外形結構設計，以片段或艙段的方式更換附體、延長電子艙、拓展負載、更換動力形式；

?集總式控制系統集成，將艇載電子設備集總到艇載樹莓派計算機上，滿足算力和IO能力的同時減少系統復雜度；

?分層嵌入式程序架構，縱向分層隔離，提供與硬件設備“一對一"的功能模塊層模塊，用戶只需調用下層API進行應用層開發；

?功能完備的系統案例，提供機器人應用層程序和岸基監控軟件作為二次開發案例，案例具備遙控和自主航行、任務下達、參數設置、日志下載分析等功能。

3、3D打印小型水下機器人ARMs技術參數

    表1 ARMs 1.0技術參數

4、實驗內容

?水下機器人認知實驗（船舶原理、機器人原理、坐標系、數學建模、自主控制系統）；

?水下機器人接口驗證實驗（狀態采集、無線通信、數據可視化）；

?遙控操縱實驗（水下機器人運動原理、系統運行和搖操步驟）；

?操縱性實驗（操縱性試驗流程、自主操縱程序、數據分析）；

?自主控制實驗（定向航行、定深航行、路徑跟蹤）。

5、實驗示例

5.1操縱性實驗

實驗目標

（1）了解多種操縱試驗的流程和方法，如Z形操縱、回轉操縱、超越試驗和空間螺旋試驗等；

（2）掌握艇載程序框架，植入待執行的操縱自主控制程序；

（3）分析航行日志，提取操縱性指標，評估水下機器人操縱性能；

試驗方法

操縱性試驗用于檢驗機器人操縱性能的優劣，為機器人搖操人員提供操縱性資料，為設計和科研提供數據資料。首先了解標準操縱性試驗的流程、關鍵指標和數據分析方法。然后根據不同操縱的操舵流程編寫自主控制程序，進行干態調試和水中航行試驗。最后下載航行日志，分析航行數據，提取關鍵操縱指標，如Z性操縱的超越角，回轉操縱的回轉半徑和周期。

    圖2 湖試場景

    圖3 Z形操縱試驗

    圖4 空間螺旋試驗

5.2定向航行實驗

實驗目標

（1）了解反饋控制思想和經典PID控制器及參數整定方法；

（2）掌握艇載程序框架，植入艏向跟蹤PID控制程序；

（3）進行艏向跟蹤調試和PID參數整定航行實驗；

實驗方法

針對水下機器人的艏向跟蹤目標，繪制出如圖5所示的反饋控制框圖，其中AHRS作為傳感器提供艏向反饋，控制器輸入艏向誤差計算舵角指令，方向舵為執行機構提供轉艏力矩，整個閉環系統使水下機器人跟蹤給定艏向航行。

    圖5 艏向自動控制框圖

控制器采用PID方法，其框圖見圖6。輸入艏向跟蹤誤差，根據當前誤差，誤差積分和誤差微分加權計算出方向舵控制舵角。

    圖6 PID控制框架

通過調整PID增益，可使艏向跟蹤精度優于1度，見圖7。

    圖7 艏向跟蹤曲線

       5.3單環控制定深航行試驗

實驗目標

（1）了解反饋控制思想和非線性控制理論；

（2）學習自抗擾控制架構和方法；

（3）設計深度跟蹤自抗擾控制方法并部署；

（4）進行深度跟蹤控制試驗并整定控制參數；

實驗方法

針對水下機器人的深度跟蹤目標，繪制出如圖8所示的反饋控制框圖，其中深度計作為傳感器提供深度反饋，控制器輸入深度誤差計算舵角指令，升降舵為執行機構提供轉艏力矩，整個閉環系統使水下機器人跟蹤給定深度航行。

    圖8 深度自動控制框圖

控制器采用自抗擾控制方法，其框圖見圖9。其核心思想是通過擴張狀態觀測器輸入反饋深度和升降舵舵角估計出深度運動的復合干擾，并將其補償到非線性誤差反饋計算的控制量中。首先使用跟蹤微分器為輸入信號安排過渡過程，并給出過渡過程的微分信號。然后將誤差和誤差微分輸入到非線性誤差反饋計算控制量，最后在控制量中補償擴張狀態觀測器觀測出的復合干擾作為最終的升降舵控制量。

    圖9 自抗擾控制框圖

自抗擾控制為非線性控制，具有抗擾能力通過調整控制器增益，可使深度跟蹤精度優于1厘米，見圖10。

    圖10深度自抗擾跟蹤曲線