太阳能风帆驱动的机器人动力学建模与控制

【摘要】：目前，机器人被广泛应用在军事、抢险救援、外太空探测等领域，但由于机器人的动力能源主要为电能和石化燃料等，因此，机器人的行驶范围和运行时间受到严重的限制。然而太阳能和风能在地球上和外太空中资源丰富，如果将两者结合起来为机器人提供动力将使机器人的使用范围变得更广。本文主要对太阳能风帆驱动的机器人的相关技术进行了深入研究。 首先，本文对太阳能电池的基本工作原理进行了说明，并对太阳能电池和风帆的种类及特点进行了总结，选择非晶硅柔性薄膜太阳能电池和层流型矩形翼帆进行结合；为了确定太阳能电池的功率，对太阳光辐射模型进行了分析，同时对太阳能电池向蓄电池充电的方式进行了研究。 其次，为了减小风帆的转动、光照和温度的变化等对太阳能电池输出功率的影响，最大限度地利用太阳能电池的发电量，本文设计了以传统的电导增量法为基础的模糊控制器完成对电池的最大功率点跟踪。与传统的扰动观察法和电导增量法相比该控制器寻找最大功率点的速度更快，跟踪精度更高，同时输出的电压和电流的波动更小。 最后，本文在分析风帆动力特性的基础上，采用牛顿-欧拉公式法建立了风帆驱动的三轮移动机器人的动力学模型，并着重分析了机器人的转向动力学模型，该模型与机器人的前进速度有关，而风帆驱动的机器人的速度又与风速、风向有关，所以该机器人系统是一个时变的复杂系统。在对风帆驱动的机器人进行控制时，将风帆的转动和机器人的航向分别进行独立控制，采用模糊控制器完成对风帆的控制，采用改进的自适应遗传算法完成对PID控制器参数的优化，实现对机器人的航向控制。 【关键词】：太阳能电池最大功率点跟踪 风帆驱动 动力学建模 风帆控制 航向控制
【学位授予单位】：沈阳理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 论文研究的目的和意义11
• 1.2 太阳能风帆的使用现状11-14
• 1.3 风帆在陆用设备中的应用14-17
• 1.4 太阳能风帆驱动的机器人的研究现状17-19
• 1.4.1 风帆驱动的机器人的研究现状17-18
• 1.4.2 太阳能电池最大功率点跟踪的研究现状18-19
• 1.6 本论文的主要工作19-20
• 1.7 本章小结20-21
• 第2章 太阳能风帆系统的设计21-31
• 2.1 太阳能电池类型的选取21-24
• 2.1.1 太阳能电池的基本工作原理21-22
• 2.1.2 太阳能电池的种类和特点22-24
• 2.2 风帆类型的选取24-25
• 2.3 太阳能风帆的设计方法25-29
• 2.3.1 太阳能电池功率的确定25-28
• 2.3.2 蓄电池充电控制方法28-29
• 2.4 本章小结29-31
• 第3章 太阳能电池最大功率点跟踪算法研究31-52
• 3.1 太阳能电池的等效模型与输出特性分析31-35
• 3.1.1 太阳能电池的等效模型31-34
• 3.1.2 太阳能电池的输出特性分析34-35
• 3.2 MPPT基本原理及DC/DC控制器35-37
• 3.2.1 MPPT基本原理35-36
• 3.2.2 DC/DC控制器36-37
• 3.3 太阳能电池最大功率点跟踪控制算法37-44
• 3.3.1 电导增量法37-39
• 3.3.2 扰动观察法39-40
• 3.3.3 模糊控制在太阳能电池最大功率点跟踪中的应用40-44
• 3.4 仿真实验与结果分析44-51
• 3.5 本章小结51-52
• 第4章 风帆驱动的机器人动力学建模52-63
• 4.1 风帆的空气动力学分析52-55
• 4.2 风帆驱动的机器人动力学建模55-58
• 4.3 风帆驱动的机器人动力学模型的简化58-59
• 4.4 风帆驱动的机器人的转向动力学模型59-61
• 4.5 本章小结61-63
• 第5章 太阳能风帆驱动的机器人的控制方法与仿真63-81
• 5.1 风帆的控制方法研究63-68
• 5.1.1 基于最佳操帆曲线的风帆控制方法63-65
• 5.1.2 基于模糊控制的风帆操作方法65-68
• 5.2 风帆驱动的机器人航向控制方法的研究68-75
• 5.2.1 遗传算法简介69-70
• 5.2.2 遗传算法优化PID参数原理70-75
• 5.3 仿真实验与结果分析75-79
• 5.4 本章小结79-81
• 结论81-83
• 参考文献83-88
• 攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科研成果88-89
• 致谢89-90

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