CN100540395C - 潜器全方位推进器控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种能够解决全方位推进器控制机构非线性、时变等问题的控制方案，以实现对潜器六自由度运动的控制，并提高潜器的可操纵性和可控性的潜器全方位推进器控制装置。它包括信息处理智能单元、艏部全方位推进器控制机构、艉部螺旋桨控制机构、艉部全方位推进器和潜器，外部机构连接信息处理智能单元，信息处理智能单元连接艏部全方位推进器控制机构和艉部螺旋桨控制机构，艏部全方位推进器控制机构和艉部螺旋桨控制机构分别连接艏部全方位推进器和艉部全方位推进器，艏部全方位推进器和艉部全方位推进器连接潜器。

Description

潜器全方位推进器控制装置

(一)技术领域

本发明涉及潜器控制领域，具体的说设计一种全方位推进器三自由度运动转盘驱动机构控制、螺距调节机构的建模、艏、艉桨协调运动控制等多个领域的潜器全方位推进器控制装置。

(二)背景技术

潜器的常规推进操纵装置通常由若干个推进器组成，布置在潜器的上下、左右、前后的位置上(如II型潜器，共7只桨；艇后品字形布置3只，上下、左右各1对)以产生上下方向、左右方向和前后方向的推力，来满足对潜器的推进和操纵性能的要求，但这样布置推进器，破坏了潜器结构的连续性，降低了潜器结构强度，使得潜器为了满足强度等要求要相应增加结构尺度(如耐压壳厚度)，推进器重量比重增大，同进也使得潜器内部的布置受到局限。从节能的意义上讲，推进器的重量比增大不利于节能。全方位推进器(Variable Vector Propeller)则能解决上述矛盾，它仅在艏、艉配置推进器而能根据需要产生上下、左右、前后六个方向的推力，同时这样并不影响结构和强度条件要求以及总布置的要求，相应地却能减少推进器的数目，满足潜器的操纵性能要求，以利于潜器的小型化、轻量化。全方位推进器是一种在桨叶旋转一周的过程中，通过桨叶螺距角的周期性变化，使其不仅产生与桨轴平行的轴向推力，也能在侧向产生推力的特种推进器。对于常规螺旋桨来说，各桨叶同一半径处的螺距角相等且桨叶沿周向均布，则各桨叶对应叶剖面上的环量相同，所以各桨叶在不同周向位置上，对应叶元体的切向力是相等的，因而整个螺旋桨不产生侧向力，只产生轴向力；对于全方向推进器来说，虽然其桨叶也是周向均布，但其叶片几何螺距角是周期性变化的(一般为正弦或余弦变化规律)，这样，当叶片处于不同的位置角时，叶片的攻角也将随位置角的变化而变化，使得各叶片对应叶元体上的切向力随位置角变化，则在侧向的分力是不能抵消的，因此在桨叶上将存在侧向力。这表明了全方向推进器与常规螺旋桨的本质区别：常规螺旋桨所产生的轴向力只能使潜器沿其桨轴线方向运动，即纵向运动；而全方位推进器不仅能使潜器产生纵向运动，而且能产生横向运动和垂直运动，产生这种区别的原因是叶片螺距角能否周期性变化。

由于全方位推进器在产生侧向力的时候，还产生了力矩，为了清除这一现象，常以两只全方位推进器前后安装来组合使用，使其在产生侧向力、垂向力时不产生力矩。

因此，使用全方位推进器不仅可以实现普通螺旋桨推进器可以实现的推进功能外，还可以实现横向和垂直方向的运动，同时它还具有结构简单，利于节能和潜器结构布局，有利于提高潜器的操纵性能。

传统控制方法一般采用PID控制，随着人工智能的问世，出现了譬如模糊控制、神经网络控制、专家机构、遗传算法等新型智能控制方法。PID控制以其算法简单，控制性能好，可靠性高等优点至今在液压伺服机构中仍有广泛应用，但是在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程方面，PID则达不到控制效果或无法实现控制。智能控制在控制非线性、时变、耦合、参数不确定、等方面的优势恰好能够解决复杂机构的控制问题，因此这里我们采用智能控制与传统PID控制结合的方法来实现对机构的控制。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种能够解决全方位推进器控制机构非线性、时变等问题的控制方案，以实现对潜器六自由度运动的控制，并提高潜器的可操纵性和可控性的潜器全方位推进器控制装置。

本发明的目的是这样实现的：它包括设置在潜器上的艏部全方位推进器和艉部全方位推进器，它还包括设置在潜器内的信息处理智能单元、艏部全方位推进器控制机构和艉部螺旋桨控制机构，信息处理智能单元连接艏部全方位推进器控制机构和艉部螺旋桨控制机构，艏部全方位推进器控制机构和艉部螺旋桨控制机构分别连接艏部全方位推进器和艉部全方位推进器，其中艏部全方位推进器控制机构和艉部螺旋桨控制机构均由螺距角控制机构和主轴推进控制机构构成，螺距角控制机构包括三个相同的液压伺服机构；所述的螺距角控制机构还包括运动转盘和机械传动装置，三个相同的液压伺服机构连接运动转盘，运动转盘连接机械传动装置，机械传动装置连接艏部全方位推进器或艉部全方位推进器；所述的主轴推进控制机构包括转速控制器、电流控制器、功放装置、电机、减速器、电流传感器和转速传感器，信息处理智能单元连接转速控制器，转速控制器连接电流控制器，电流控制器连接功放装置，功放装置连接电机，电机连接电流传感器和减速器，电流传感器连接电流控制器，减速器连接转速传感器和艏部全方位推进器或艉部全方位推进器，转速传感器连接转速控制器。

本发明还可以包括：

1、所述的机械传动装置包括变速杆和连接杆，运动转盘是由内侧转盘和外侧转盘两个转盘构成的，外侧转盘与液压缸相连，内侧转盘通过连接杆直接与变速杆相连，变速杆与螺旋桨相连。

2、所述的液压伺服机构包括控制器、功放装置、液压油缸和位移传感器，信息处理智能单元连接控制器，控制器连接功放装置，功放装置连接液压油缸，液压油缸连接位移传感器，位移传感器连接控制器。

本发明采用智能控制和艏、艉桨协调运动控制来实现潜器水下六自由度的操纵，潜器全方位推进器控制装置从控制对象上来说时一种全新的控制机构，因为全方位推进器是一种特殊的推进装置，它仅需一个就可以实现潜器的六个自由度的运动；从控制方法上讲本控制机构采用智能控制算法与常规PID控制算法相结合的控制方法，提高了控制机构的抗干扰能力，增强控制机构鲁棒性能，通过艏艉桨协调控制，来实现对潜器航向和深度的控制，与传统的推进器相比，能耗明显降低。

本发明的实现过程是这样的，控制信号经过信息处理智能单元的解算处理，输出信号分成两个部分，一部分是艏部全方位推进器控制机构的输入信号，另外一部分是艉部全方位推进器控制机构的输入信号。艏部全方位推进器控制机构的输入信号又分解成两路信号，一路信号作为主轴电力推进控制机构的输入信号直接输入到转速控制器中；另一路信号则作为螺距角控制机构的输入信号直接输入到三个液压伺服机构的控制器的输入端。

现以艏部全方位推进器控制机构为例简要介绍一下全方位推进器控制机构是如何实现对潜器水下六自由度操纵的。

艏部全方位推进器控制机构由螺距角控制机构和主轴推进控制机构构成，螺距角控制机构则由三个相同的液压伺服机构构成。本发明主要目的是实现潜器水下的六自由度运动，所以这里将主要陈述一下螺距角控制机构三个液压伺服机构中的一个通道的实现方式及主轴电力推进控制机构。

信息处理智能单元输出的信号经过控制器的处理转换，将得到的控制信号输入到功放装置，经过功放装置放大后的控制信号输入到液压缸的输入端，液压缸的输出位移信号通过位移传感器反馈到控制器的输入端，以达到校正的目的，使液压缸的输出位移最大限度的复现输入控制信号。这是螺距角控制机构三个相同液压伺服机构中一个通道的工作方式，其余两个通道与之相同。

三个液压伺服机构的输出即三个液压缸的输出位移直接驱动运动转盘实现三自由度的倾斜和平移运动。

三自由度运动转盘倾斜的角度和平移的位置通过机械传动装置将改变全方位推进器的螺距角，进而改变全方位推进器产生的力的方向和大小。机械传动装置一般由变速杆和连接杆构成。

主轴电力推进控制机构的工作方式是这样的，控制信号经过信息处理智能单元后输入到转速控制器中，转速控制器输出的信号经过电流控制器、功放装置输入到电机，电机的输出信号一路输出到减速器，另一路经电流传感器反馈到电流控制器的输入端，减速器输出的信号一路经转速传感器反馈到转速控制器的输入端，另一路作为主轴推进信号输出到全方位推进器。

本发明的优点和有益效果在于提供了一种全新的推进器概念及一套在理论何工程实际都切实、可行的控制机构：

(1)本发明研究的潜器全方位推进器是一种新型的特种推进装置，它可由两个螺旋桨代替传统的六个、七个螺旋桨实现潜器的推进和六自由度操纵性能，克服了传统的推进器由于多螺旋桨的相互耦合产生的负面影响，从而进一步提高了机构的物理可操作性和推进器的工作效率。同时采用全方位推进器减少了螺旋桨的个数，所以可以优化潜器的整体结构布局，对于潜器的纵深发展也有极大的助益，并且从节能意义上讲也有重大意义。

(2)本发明采用坐标齐次变换和牛顿-欧拉方程对运动转盘的运动学和动力学进行分析，从而建立全方位推进器控制机构运动转盘的数学模型。运动转盘数学模型的建立为全方位推进器螺距控制机构的实现在理论和工程实际方面奠定了良好的基础。

(3)本发明采用艏、艉两部全方位推进器协调运动控制从而实现潜器水下六自由度的运动。因为单个全方位推进器工作时，在产生侧向力的同时也将产生力矩。通过艏、艉桨全方位推进器的组合使用消除这一现象，当艏、艉桨逆转，周期螺距角错开180度时，产生侧向力；当艏、艉桨逆转，周期螺距角的相位一致时，产生转艏力矩。因此艏、艉桨全方位推进器的协调工作产生水下机器人六自由度的运动，包括前后运动、左右横移运动、上下升沉运动、偏航运动、航运动、纵摇运动和横摇运动。

(4)全方位推进器控制机构是以非线性、时变、耦合的机构，因此使用传统控制方法PID控制方法很难达到里想得控制效果，因此本发明采用了智能控制算法与传统PID控制方法向结合的新型控制方案，既克服了传统PID控制方法在控制非线性、时变及参数不确定的复杂机构过程中控制效果不佳的缺点，又保有了PID控制算法简单，控制性能好，可靠性高等优点，使全方位推进器控制机构控制效果达到最佳。

(四)附图说明

图1为本发明全方位推进器控制机构结构原理图；

图2为本发明液压缸与斜盘关系示意图；

图3为本发明位置正解反馈补偿原理图；

图4为本发明变螺距机构结构图；

图5-6为本发明控制侧向力、转艏力矩示意图；

图7为本发明有两个全方位推进器的潜器示意图；

图8为本发明控制前后方向的推力示意图；

图9为本发明控制左右方向的推力示意图；

图10为本发明控制上下方向的推力示意图；

图11为本发明控制偏向力示意图；

图12为本发明控制纵向力示意图；

图13为电机控制机构结构原理图；

图14为CPLD的电路原理图；

图15为全方位推进器结构图。

(五)具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明如下：

结合图1，本发明包括信息处理智能单元、艏部全方位推进器控制机构、艉部螺旋桨控制机构、艉部全方位推进器和潜器，外部机构连接信息处理智能单元，信息处理智能单元连接艏部全方位推进器控制机构和艉部螺旋桨控制机构，艏部全方位推进器控制机构和艉部螺旋桨控制机构分别连接艏部全方位推进器和艉部全方位推进器，艏部全方位推进器和艉部全方位推进器连接潜器；其中艏部全方位推进器控制机构和艉部螺旋桨控制机构均由螺距角控制机构和主轴推进控制机构构成，螺距角控制机构包括三个相同的液压伺服机构。所述的螺距角控制机构还包括运动转盘和机械传动装置，三个相同的液压伺服机构连接运动转盘，运动转盘连接机械传动装置，机械传动装置连接艏部全方位推进器和艉部全方位推进器；所述的液压伺服机构包括控制器、功放装置、液压油缸和位移传感器，信息处理智能单元连接控制器，控制器连接功放装置，功放装置连接液压油缸，液压油缸连接位移传感器，位移传感器连接控制器；所述的主轴推进控制机构包括转速控制器、电流控制器、功放装置、电机、减速器、电流传感器和转速传感器，信息处理智能单元连接转速控制器连接电流控制器连接功放装置，功放装置连接电机，电机连接电流传感器和减速器，电流传感器连接电流控制器，减速器连接艏/艉部全方位推进器；所述的机械传动装置包括变速杆和连接杆。

叶片螺距角是通过联结到一个旋转运动斜盘上的机械传动装置驱动叶片实现的。运动转盘旋转运动到不同的空间角度，叶片将产生相应的螺距角，因此要研究和建立运动转盘旋转角度与螺距角之间的数学模型，才能实现对全方位推进器控制机构的控制。本发明中运动转盘的转动通过三个液压油缸的位移运动完成，将三个液压油缸位移运动的组合转换成转盘空间三个自由度的运动(两个旋转角，一个位移)，而每个液压油缸的位移运动是由一个闭环伺服机构来控制和驱动。螺旋桨主轴的旋转运动是由一套电力推进机构来控制和驱动。全方位推进器控制机构结构原理如图1所示。

结合图1，控制信号是由输入指令经过信息处理智能单元的转换生成的，主要是产生针对艏部和艉部两个全方位推进器控制机构的控制信号。控制信号大体上可以分为八道，艏、艉两个控制机构各四道输入控制信号。艏部全方位推进器控制机构的四道输入信号有三道作为驱动运动转盘运动三个液压缸的液压伺服机构的输入控制信号，另外一道是主轴电力推进控制机构的输入信号。液压伺服机构的三道输入信号经由每个通道的控制器处理之后，输入到功率放大器，放大后的控制信号直接输入到液压缸的输入端，液压缸的输出直接驱动运动转盘运动，同时作为位置反馈信号经位移传感器解算反馈控制器的输入端，以产生误差信号，对控制机构进行校正。运动转盘的运动经由机械传动装置来改变全方位推进器的螺距角。其他两个通道的液压伺服机构的工作方式与之完全相同。主轴电力推进控制机构的控制信号历经转速控制器、电流控制器、功放装置的转换、整流后输入到电机中，电机的输出信号经减速器后直接驱动全方位推进器运转，同时电机的输出信号经电流传感器反馈到电流控制器的输入端，减速器输出的信号经转速传感器反馈到主轴电力推进控制机构的输入端转速控制器中，以达到校正电机转速的目的。艉部全方位推进器控制机构的运行方式与艏部全方位推进器控制机构的工作方式相同。

图2为本发明液压缸与斜盘关系示意图，结合图2，这里主要完成两方面的工作，首先是建立运动转盘的运动学位置反解和正解，其次是进行运动转盘的动力学分析，因为运动学和动力学分析是运动转盘设计和控制的前提。合理的运动转盘机构要具有良好的动、静态品质必须能够满足运动学和动力学的参数指标；而且在运动学和动力学基础上的机构优化设计也是非常关键的，包括多个方面的综合，比如运动空间最大、液压缸行程最小和液压缸受力最小等，这里提到液压缸行程和液压缸受力是因为本发明采用的是液压伺服机构，当然驱动机构也可以采用电动或气动控制机构。在图2中艏先建立固定坐标系O-XYZ和动坐标系c-xyz，给出运动转盘运动的角度，利用坐标变换公式得出运动转盘的变化后的位姿，变化后的位置于初始位置间的差值即可得到运动转盘的位置反解，利用位置反解得到的公式建立一非线性方程组，解此方程组即可得到运动转盘的位置正解。动力学分析是采用简化的牛顿-欧拉动力学计算方法，因为一般情况下负载质量远远大于液压缸和伺服阀的总质量，计算运动转盘在运动过程中各液压缸必须提供的驱动力，这为液压控制机构选择动力元件，包括伺服液压缸和电液伺服阀，提供重要的依据。

结合图3，主要完成利用前面计算得出的位置正解和反解来实现位置正解反馈补偿效果。当运动转盘运动时，当给定转盘所要实现的运动，通过反解的计算就可以得出三个液压缸的输出位移，而转盘的实际运动规律与期望的运动之间难免有偏差，而且随着输入信号频率的增大，实际的运动与期望的运动之间的偏差越来越大，使机构的动态特性变差。为了改善平台的动态跟踪精度，利用正解反馈来获得运动转盘的实际位姿，将其和期望姿态之间的偏差反馈到输入端，从而达到补偿的目的。其工作方式是这样的，转盘期望的运动规律信号经过位置反解的解算，得出液压缸的伸缩规律，经由计算机接口机构输出到电液伺服机构的输入端，从而驱动运动转盘运动，同时通过电液伺服机构的输出信号得出液压缸实际伸缩规律，经过计算机接口机构后的输出信号经位置正解的解算得出转盘实际运动规律，转盘期望运动规律与实际运动规律之间的误差反馈到位置反解的输入端，实现正解校正的目的。

结合图4和图15，这里主要完成的是全方位推进器控制机构运动转盘后半部分的数学建模，也就是运动转盘与全方位推进器螺距角之间的数学建模。对于全方位推进器来说，螺距角的改变是通过改变叶片的叶倾角来实现的。运动转盘是由内侧和外侧两个转盘构成的，外侧转盘2是直接与液压缸1相连的，它在工作时只进行倾斜和平移的运动，不随主轴进行旋转运动。而内侧转盘3通过连接杆6直接与变速杆7相连，它除进行倾斜和平移运动外，还随主轴一同旋转，变速杆7是改变叶片5节距的装置，转盘和变速杆形成非常大的作用半径，因此连接杆6对全方位推进器轴4形成很大倾斜。在内侧转盘和全方位推进器轴之间设计了匀速球连接，内侧转盘一边保持较大倾斜同时又可以与推进器轴作共同旋转。通过建立运动转盘与全方位推进器螺距角间的数学模型，使得通过控制运动转盘实现对全方位推进器的控制，与图二部分联合起来就得到了全方位推进器控制机构的完整的数学模型，这为实现对全方位推进器的控制打下了坚实的理论基础，为控制机构的进一步设计和工程实现提供依据。

图5-12为本发明潜器艏、艉全方位推进器协调运动控制组图。结合图5-6，因为单个全方位推进器在产生侧向力时，也将产生力矩。为了消除这一现象，通常采用艏、艉两个全方位推进器组合使用来达到预期的目标，使其仅产生侧向力和转艏力矩。结合图7，当艏、艉桨逆转，周期螺距的相位角错开180度时，产生侧向力；艏、艉桨逆转，周期螺距的相位角一致时，产生转艏力矩，潜器具有艏、艉两个全方位推进器。结合图8，当艏艉桨全方位推进器都处于校正螺距状态时，艏、艉桨推进器的旋转方向相反或者艏、艉桨推进器的旋转方向相同但是旋转斜盘沿相反的桨轴方向平移，则全方位推进器产生向前或向后的推力，所以此时潜器作前进或后退的运动。结合图9，当艏、艉桨全方位推进器都处于余弦周期螺距状态且艏艉桨全方位推进器的旋转方向相反，或者艏部推进器与艉部推进器的周期螺距角的相位错开180°，也就是说推进器的两个旋转斜盘绕Y轴向相反的方向旋转了相同的角度，则全方位推进器产生向左或向右的推力，所以潜器有左右方向的位移运动。结合图10，当艏、艉桨全方位推进器都处于正弦周期螺距状态且艏、艉桨全方位推进器的旋转方向相反，或者艏部推进器与艉部推进器的周期螺距角的相位错开180°，也就是说推进器的两个旋转斜盘绕Z轴向相反的方向旋转了相同的角度，则全方位推进器产生向上或向下的推力，所以潜器有上下方向的位移运动。结合图11，当艏、艉桨全方位推进器处于不同的正弦周期螺距状态时，艏部推进器与艉部推进器的周期螺距角的相位错开180°，则艏部全方位推进器产生向左的推力，艉部全方位推进器产生向右的推力，潜器产生向左偏的航行，相反则产生向右的偏航运动。结合图12，当艏、艉桨全方位推进器处于不同的周期螺距状态，艏部推进器与艉部推进器的周期螺距角的相位错开180°，则艏部全方位推进器产生向上的力，艉部全方位推进器产生向下的力，则潜器产生向上的纵摇运动。反之产生向下的纵摇运动。如果要产生横摇运动，需要艏部和艉部的全方位推进器工作在不同的螺旋桨转速和螺距状态，这样通过利用固有静态稳定性和利用摇摆传感器的自动横向稳定控制的方法可以实现潜器的横摇运动。

结合图13-14，可编程逻辑器件(CPLD)采用的XC9536XL芯片，CPLD芯片的2-8脚为PWM6-PWM1输出，分别连接电阻R37-R42到+3.3V电源，7脚为PWM的T1引脚，35脚为PWM的T2引脚，9脚为DRIVE引脚，10、23、31脚接DGND，15脚为TDI_CPLD输入，30脚为TDO_CPLD输出，16脚为TMS_CPLD引脚，17脚为TCK_CPLD引脚，20脚为HV_S引脚，22脚为LV_S引脚，24脚连接开关S1、电容C48到DGND、连接电阻R103到+3.3V电源，21、32、41脚连接+3.3V电源，25-29、33脚为PWM6O、PWM4O、PWM2O、PWM5O、PWM3O和PWM1O引脚，38脚为IPMF_S引脚，39脚为BREAK引脚，可编程逻辑器件的JTAG-CPLD芯片的TCK1脚为TCK_CPLD引脚，GND2脚接DGND，TDI3脚为TDI_CPLD引脚，VCC4脚接+5V电源，TMS5脚为TMS_CPLD引脚，TDO9脚为TDO_CPLD引脚，电容C54-C56连接+3.3V到DGND。

Claims (3)

1、一种潜器全方位推进器控制装置，它包括设置在潜器上的艏部全方位推进器和艉部全方位推进器，它还包括设置在潜器内的信息处理智能单元、艏部全方位推进器控制机构和艉部螺旋桨控制机构，信息处理智能单元连接艏部全方位推进器控制机构和艉部螺旋桨控制机构，艏部全方位推进器控制机构连接艏部全方位推进器，艉部螺旋桨控制机构连接艉部全方位推进器，其中艏部全方位推进器控制机构和艉部螺旋桨控制机构均由螺距角控制机构和主轴推进控制机构构成，螺距角控制机构包括三个相同的液压伺服机构；所述的螺距角控制机构还包括运动转盘和机械传动装置，三个相同的液压伺服机构连接运动转盘，运动转盘连接机械传动装置，机械传动装置连接艏部全方位推进器或艉部全方位推进器；其特征在于所述的主轴推进控制机构包括转速控制器、电流控制器、功放装置、电机、减速器、电流传感器和转速传感器，信息处理智能单元连接转速控制器，转速控制器连接电流控制器，电流控制器连接功放装置，功放装置连接电机，电机连接电流传感器和减速器，电流传感器连接电流控制器，减速器连接转速传感器、还连接艏部全方位推进器或艉部全方位推进器，转速传感器连接转速控制器。

2、根据权利要求1所述的潜器全方位推进器控制装置，其特征在于所述的机械传动装置包括变速杆和连接杆，运动转盘是由内侧转盘和外侧转盘两个转盘构成的，外侧转盘与液压缸相连，内侧转盘通过连接杆直接与变速杆相连，变速杆与螺旋桨相连。

3、根据权利要求2所述的潜器全方位推进器控制装置，其特征在于所述的液压伺服机构包括控制器、功放装置、液压油缸和位移传感器，信息处理智能单元连接控制器，控制器连接功放装置，功放装置连接液压油缸，液压油缸连接位移传感器，位移传感器连接控制器。

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