CN102012704B - 水下机器人姿态内控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下机器人姿态内控制系统。它包括：一个主控制器连接调节机构、一个姿态传感器和一个上位机控制器，所述调节机构是一个安装在水下机器人内部的平衡调节机构，该机构包括重心滑块、双轴驱动电机、蜗杆、导轨、滑杆、限位开关和机构平台。双轴驱动电机与蜗杆连接，驱动蜗杆双向旋转；蜗杆通过丝杠传动来驱动滑杆进行平面移动；滑杆一端与蜗杆丝杠连接，穿过重心滑块，另一端与导轨采用滑块连接，带动重心滑块在平面内移动，实现水下机器人的重心调节，以实现水下机器人的横摇和纵倾的姿态控制。本姿态控制系统可广泛适用于水下机器人的姿态控制。

Description

水下机器人姿态内控制系统

技术领域

本发明涉机器人姿态控制领域，特别是涉及一种用于水下机器人的姿态内控制系统。

背景技术

水下机器人在水下环境探测、监控、水中目标捕获及水下设施作业等方面取得巨大的实际应用成果，但水下机器人在作业过程中，需保持姿态、位置和运动状态的相对稳定，以便能够快速高效地完成相关测量、监测、监视和机械手动作等作业。当水下机器人遭遇到涌流干扰时，致使其出现横荡、垂荡、横摇、纵摇等姿态不稳定的问题，若完全依靠巡逻艇上的操控人员对水面、水下监测装置进行手动控制，难以做到实时快速稳定，而且还要依赖操控人员的熟练程度和反应快慢，尤其是当水下机器人潜入水质比较混浊的水域时，操控人员看不见水下机器人的姿态，仅仅只能依据水下图像或声纳信息进行操控，难度很大，这就可能出现导致作业失败等状况。

目前水下机器人一般采用水平、垂直和侧向三个方向的推进器推进，特别是垂直和侧向推进器的设置数目有限，一般只设置一个推进器，这样就无法实现有效的横摇和纵倾控制。

发明内容

本发明的目的在于要解决现有技术存在的问题，提供一种水下机器人姿态内控制系统，实现对水下机器人的横摇和纵倾的两自由度姿态控制。

为解决上述技术问题，本发明的构思是：本发明在水下机器人内部安装重心调节机构，通过调节水下机器人的重心平衡位置来控制水下机器人姿态，本发明的水下机器人姿态内控制系统，包括：平衡调节机构、主控制器、姿态传感器和上位机控制器；

平衡调节机构包括重心滑块、双轴驱动电机、蜗杆、导轨、滑杆、限位开关和机构平台；双轴驱动电机与蜗杆连接，驱动蜗杆双向旋转；蜗杆通过蜗轮传动来驱动滑杆进行平面移动；滑杆一端与蜗轮连接，穿过重心滑块，另一端与导轨采用滑块连接，带动重心滑块在平面内移动，实现水下机器人的重心调节，以实现水下机器人的横摇和纵倾的姿态控制；导轨固定于机构平台上，通过滑块连接支撑滑杆；限位开关安装于蜗杆两端，用于给出蜗杆驱动的限定信号，确保重心滑块在限定范围内可靠滑动，防止脱杆；机构平台用于安装固定双轴驱动电机、限位开关、导轨等。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种水下机器人姿态内控制系统，包括一个主控制器连接一个调节机构、一个姿态传感器和一个上位机控制器，其特征在于所述调解机构是一个安装在水下机器人内部的平衡调解机构，通过该平衡调节机构调节水下机器人的重心平衡位置来控制水下机器人姿态。

上述平衡调节机构的结构是一个平台上装有两个驱动电机分别驱动两根相互垂直安装的蜗杆，该两根蜗杆分别与两个蜗轮啮合；有两根滑杆分别于一个重心滑块中两个相互垂直的滑导相滑配，其中每一根滑杆的一端与所述的一个蜗轮固定连接，另一端固定连接一个滑块，该滑块与一根导轨滑配，该导轨与位于滑杆另一端的所述蜗杆平行安置；这样，所述两根蜗杆和两根导轨布列成四方形，而两根滑杆在两个驱动电机经两根蜗杆和两个蜗轮传动下，在所述四方形内分别纵向和横向移动，带动重心滑块在该四方形内移动。

上述两根蜗杆和两根导轨通过四个固定装置固定安装在机构平台上，所述两根蜗杆的两端部分装有一个限位开关。

上述姿态传感器用于感应水下机器人的姿态角，并传送给主控制器。

上述主控制器用于接收姿态传感器信号和上位机控制器命令，控制双轴驱动电机驱动重心滑块，调节水下机器人的重心位置，达到控制水下机器人姿态的目的。

上述上位机控制器用于发送水下机器人的姿态控制命令和显示当前姿态信息。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著进步：本发明采用一个安装在水下机器人内部的平衡调节机构，通过该机构调节水下机器人重心位置实现控制水下机器人姿态。

本发明的姿态控制系统可广泛适用于水下机器人的姿态控制。

附图说明

附图1是本发明一个实施例的机构框图。

附图2是图1示例中平衡调节机构的结构示意图。

附图3是图1示例中电路结构框图。

附图4是本发明的水下机器人姿态控制系统的控制流程图。

具体实施方式

本发明的一个优选实施例结合附图详述如下：

如图1所示，在本水下机器人姿态内控制系统包括：平衡调节机构1、主控制器2、姿态传感器3和上位机控制器4；

参见图2，平衡调节机构1包括一个重心滑块105、两个驱动电机102(包括横向驱动电机102A和纵向驱动电机102B)、两根蜗杆103、两根导轨107、两根滑杆108、四个限位开关104、一个机构平台101和四个固定装置109；两个驱动电机102分别与两根蜗杆103连接，驱动蜗杆103旋转；两根蜗杆103分别通过两个蜗轮110传动来驱动两根滑杆108进行平面移动；每一根滑杆108的一端与一个蜗轮110连接，穿过重心滑块105，另一端与导轨107采用滑块106连接，带动重心滑块105在平面内移动，实现水下机器人的重心调节，以实现水下机器人的横摇和纵倾的姿态控制；导轨107固定于机构平台101上，通过滑块106连接支撑滑杆108；四个限位开关104分别安装于两根蜗杆103的两端，用于给出蜗杆103驱动的限定信号，确保重心滑块105在限定范围内可靠滑动，防止脱杆；机构平台101通过四个固定装置109安装固定两个驱动电机102、蜗杆103、限位开关104和导轨107等；

参见图3，所述主控制器2由控制器(201)ATmega8L、通讯接口(203)SP3485、电机驱动芯片(204)LG9110(包含横向电机驱动204A和纵向电机驱动204B)、限位信号(207)(包含限位信号横向1(207A)、限位信号横向2(207B)、限位信号纵向1(207C)和限位信号纵向2(207D))、复位电路(205)和电源电路(206)等组成。

所述控制器201采用美国Atmel公司的ATmega8L微处理器，内含模拟-数字转换器、具有内嵌EEPROM存储器和内置RC振荡时钟电路，可实现姿态角信息的模数转换，获得姿态角数值，控制器201内含全双工硬件串口，可实现与上位机通讯，整个主控制控制流程如图4所示。所述控制器201的信号脚AD0和AD1与姿态传感器3的信号输出脚相连；所述控制器201的信号脚PB0、PB1、PB2和PB3分别连接电机驱动芯片的控制信号，用于控制电机的正反转；所述控制器201的信号脚PD4、PD5、PD6和PD7分别连接限位开关104，获得双轴限位信号；所述控制器201的信号脚RXD、TXD和PD3分别连接通讯接口203，实现RS485通讯；所述控制器201的复位信号RST与上电复位电路205相连。

所述通讯接口(203)SP3485是一个RS485接口芯片，连接控制器201实现通讯功能。

所述电机驱动芯片(204)LG9110是单片直流电机驱动芯片，可实现电机双向驱动。

所述电源电路(206)采用直流电源给系统供电。

所述姿态传感器(3)IDG-650是一个集合水平横滚和纵倾姿态角测量的双轴传感器，采用模拟信号输出。

所述上位机控制器4是具有RS485通讯数据接口、操作键盘和LCD显示器，用于和主控器2进行实时数据通讯、设置水下机器人姿态角和显示当前姿态信息。

主控制器2通过数据总线5接收上位机控制器4的姿态控制命令，通过姿态传感器3获得当前水下机器人的姿态信息，根据姿态误差采用PID控制进行驱动平衡调节机构1的双轴驱动电机102，使得平衡调节机构1的重心滑块105位置发生相应变化，调节整个水下机器人的重心位置，进而实现水下机器人姿态角度的控制。

整个控制流程如图4所示。具体过程如下：

(a)设备初始化；

(b)获得当前姿态信息；

(c)根据横滚角信息，计算差值，采用PD控制算法驱动纵向电机；

(d)根据纵倾角信息，计算差值，采用PD控制算法驱动横向电机；

(e)根据通讯标志，进行通讯服务程序，设定姿态信息和发送当前水下机器人姿态信息；

(f)返回(b)运行。

以上通过具体实施方式对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种水下机器人姿态内控制系统，包括一个主控制器(2)连接一个调节机构、一个姿态传感器(3)和一个上位机控制器(4)，其特征在于所述调节机构是一个安装在水下机器人内部的平衡调节机构(1)，通过该平衡调节机构(1)调节水下机器人的重心平衡位置来控制水下机器人姿态；所述平衡调节机构(1)的结构是一个平台(101)上装有两个驱动电机(102A、102B)分别驱动两根相互垂直安装的蜗杆(103)，该两根蜗杆(103)分别与两个蜗轮(110)啮合；有两根滑杆(108)分别于一个重心滑块(105)中两个相互垂直的滑导相滑配，其中每一根滑杆(108)的一端与所述的一个蜗轮(110)固定连接，另一端固定连接一个滑块(106)，该滑块(106)与一根导轨(107)滑配，该导轨(107)与位于滑杆(108)另一端的所述蜗杆(103)平行安置；这样，所述两根蜗杆(103)和两根导轨(107)布列成四方形，而两根滑杆(108)在两个驱动电机(102A、102B)经两根蜗杆(103)和两个蜗轮(110)传动下，在所述四方形内分别纵向和横向移动，带动重心滑块(105)在该四方形内移动。

2.根据权利要求1所述的水下机器人姿态内控制系统，其特征在于所述两根蜗杆(103)和两根导轨(107)通过四个固定装置(109)固定安装在所述平台(101)上，所述两根蜗杆(103)的两端部分装有一个限位开关(104)。

3.根据权利要求1所述的水下机器人姿态内控制系统，其特征在于所述姿态传感器(3)用于感应水下机器人的姿态角，并将姿态角信号传送给主控制器。

4.根据权利要求1所述的水下机器人姿态内控制系统，其特征在于所述主控制器(2)用于接收姿态传感器(3)信号和上位机控制器(4)命令，控制所述两个驱动电机(102A、102B)驱动重心滑块(105)，调节水下机器人的重心位置，达到控制水下机器人姿态的目的。

5.根据权利要求1所述的水下机器人姿态内控制系统，其特征在于所述上位机控制器(4)用于发送水下机器人的姿态控制命令和显示当前姿态信息。

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