CN102485591A - 一种微型水下机器人矢量布置推进器推力分配方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微型水下机器人矢量布置推进器推力分配方法及装置，方法为：以矢量布置推进器推力分配能耗矩阵作为计算推力的依据；通过极值理论计算最小能耗的推力分配结果；通过尖峰值去除方法去除不正常数据，得到正常范围内的推进器控制电压；通过推力/电压转换方法将计算得到的分配结果转化为实际控制电压。装置包括：控制信号产生单元、微控制器以及电压输出单元，控制信号产生单元产生电压控制信号，输出至微控制器；微控制器对电压控制信号进行处理，生成实际的电压控制信号至电压输出单元；电压输出单元将实际的电压控制信号施加到机器人矢量布置推进器上。本发明保证了系统安全运行，保证控制效果的实现有效降低系统能耗。

Description

一种微型水下机器人矢量布置推进器推力分配方法及装置

技术领域

本发明涉及一种水下机器人推进器控制技术，具体的说是微型水下机器人矢量布置推进器推力分配方法及装置。

背景技术

微型水下机器自带能源，一次下水过程中不能进行能源的补给，所以如何高效的利用有限的能源是水下机器人综合能力的重要指标。在消耗能源的部件中，推进器无疑是最高的一个部件，推进器使微型ROV产生了前进的动力。目前，推进器的矢量布置被广泛采用，这种布置方法可以以最少的推进器个数获得最多的自由度。科学合理的推进器推进分别算法可以充分发挥失量布置充推进器的优势，不仅提高动力，而且节省能源。节约能源对于自带电池工作的微型ROV来说十分关键，现有技术往往忽略了微型ROV推进器的节能因素；微型ROV推进器功率小，额定电压低，若不注意对控制电压的滤波处理，很容易对推进器造成损坏。

发明内容

针对现有技术中存在的微型ROV推进器节能技术和推进器保护技术中存在的不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种能够最大限度降低推进器带来的系统能量损耗且对推进器进行过压保护的微型水下机器人矢量布置推进器推力分配方法及装置

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明微型水下机器人矢量布置推进器推力分配方法包括以下步骤：

以矢量布置推进器推力分配能耗矩阵作为计算推力的依据；

通过极值理论计算最小能耗的推力分配结果；

通过尖峰值去除方法去除不正常数据，得到正常范围内的推进器控制电压；

通过推力/电压转换方法将计算得到的分配结果转化为实际控制电压。

所述尖峰值去除方法包括以下步骤：

读取推力分配结果电压值；

判断该电压值是否大于设定的上限；

若推力分配结果电压值大于上限，将该电压值设为上限；

判断是否小于下限；

若推力分配结果电压值小于下限，将该电压值设为下限。

输出经过上述处理的电压值。

若推力分配结果电压值不小于下限，则以电压值原值作为输出数据。

若推力分配结果电压值不大于上限，则接续判断判断推力分配结果电压值是否小于下限步骤。

所述推力/电压转换方法包括以下步骤：

读取推力分配结果中的推力值；

该推力值减去推进器所能接受的实际电压值的下限，所得结果除以实际电压范围，实际电压范围为实际电压最大值减去实际电压最小值；

除以实际电压范围后结果再乘以推力值范围，推力值范围为推力值最大值减去推力值最小值；

乘以推力值范围后所得结果加上推力值最小值作为最后输出的推进器控制电压值。

所述推进器为三个，2个在水平方向上布置，1个在垂直方向上布置，两个水平方向布置的推进器与对称轴夹角相同，均为θ，垂直方向的推进器与水平面夹角为90度，推力结果如下：

T1＝k1×Fx+k2×Fy

T2＝k1×Fx-k2×Fy

T3＝FZ

其中，Fx、Fy、FZ分别为微型ROV前进、侧移、潜浮三个自由度方向上的力，T1、T2、T3为三个推进器的推力，k1＝1/cosθ，k2＝1/siaθ。

本发明微型水下机器人矢量布置推进器推力分配装置包括：控制信号产生单元、微控制器以及电压输出单元，其中：

控制信号产生单元产生电压控制信号，输出至微控制器；

微控制器对电压控制信号进行处理，生成实际的电压控制信号至电压输出单元；

电压输出单元将实际的电压控制信号施加到机器人矢量布置推进器上。

微控制器及电压输出单元均为PC104总线接口。

电压输出单元的输出电压范围为-10伏～10伏。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.采用最小损耗推力分配算法最大限度的降低了推进器带来的系统能量损耗，经过尖峰值去除方法去除了可能产生的对推进器造成损害的过大的电压或脉冲，保证了系统安全运行，推力/电压转换方法可以将计算得到的推力转换为推进器能够接受和识别的模拟电压值，保证控制效果的实现。ARM微控制器不仅处理速度快，还有效降低系统能耗，特备适合微型ROV这一类自带能源的潜水器采用，linux系统有效的保证了系统实时性和控制效果。PM511PU通过ARM微控制器的控制能够产生和-10～10V的控制电压。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明方法中尖峰值去除方法流程图；

图3为本发明方法中推力/电压转换方法流程图；

图4为本发明装置结构框图；

图5为本发明装置实施例电气连接图。

具体实施方式

本发明公开一种基于ARM控制器、linux操作系统的微型ROV矢量布置推进器(推进器个数：3个)的推力分配方法及其装置。

本发明装置如图4所示，包括：控制信号产生单元、微控制器以及电压输出单元，其中：控制信号产生单元产生电压控制信号，输出至微控制器；微控制器对电压控制信号进行处理，生成实际的电压控制信号至电压输出单元；电压输出单元将实际的电压控制信号施加到机器人矢量布置推进器上。控制信号由信号产生装置产生，本例中为控制单杆，控制单杆可以产生前进、侧移、潜浮三个方向的控制信号，信号以电压的形式产生。如图5所示，ARM微控制器采用ATMEL公司生产的ARM9200E微控制器，该控制器的频率为200MHz，足以满足实时性的要求。操作系统采用RedHatLinux9.0。该操作系统是linux家族中的一支，具有操作界面友好和驱动程序丰富的特点。将该系统移植到ARM9200E中并安装PC104驱动。在ARM9200E的PC104接口上连接数据卡，这里为北京中泰研创的PM511PU。该数据卡具有标准PC104接口，可以方便的插接到ARM9200E上，该卡具有模拟量输出功能，可以输出模拟电压到推进器，控制其动作。

在ARM微控制器中通过虚拟机安装linux操作系统，在操作系中安装PC104总线驱动，以备扩展PC104总线数据处理卡使用。通过ARM微控制器的PC104总线扩展PC104标准的数据处理卡，产生电压信号并连接至推进器产生推力。根据推进器个数形成推力分配矩阵，并根据极值理论通过导数计算方法产生最小损耗的唯一推力分配矩阵。将该唯一最小能耗推力分配矩阵的结果经过尖峰值去除方法的过滤，再通过推力/电压转换方法转换成实际控制电压，最后将该电压输送给推进器，产生推力。

如图1所示，本发明微型水下机器人矢量布置推进器推力分配方法包括以下步骤：

以矢量布置推进器推力分配能耗矩阵做为计算推力的依据；

通过极值理论计算最小能耗的推力分配结果；

通过推力/电压转换方法将计算得到的分配结果转化为实际控制电压；

通过尖峰值去除方法去除不正常数据，得到正常范围内的推进器控制电压，避免对控制器产生损坏。

如图2所示，所述尖峰值去除方法包括以下步骤：

读取推力分配结果电压值；

判断该电压值是否大于设定的上限；

若推力分配结果电压值大于上限，将该电压值设为上限；

判断是否小于下限；

若推力分配结果电压值小于下限，将该电压值设为下限。

输出经过上述处理的电压值。

通过极值理论计算最小能耗的推力分配结果的方法如下：

3个推进器2个在水平方向上布置，1个在垂直方向上布置，首先确定根推进器布置角度，设为0，两个水平方向布置的推进器与对称轴夹角均为θ，1个垂直方向的推进器夹角为90度。因此获得推力分配矩阵如下：

Fx＝cosθ×T1+cosθ×T2①

Fy＝siaθ×T1-siaθ×T2  ②

FZ＝T3                   ③

其中，Fx、Fy、FZ分别为微型ROV前进、侧移、潜浮三个自由度方向上的力，T1、T2、T3为三个推进器的推力。根据最优化控制理论构造目标函数：

E＝T12+T22+T32    ④

根据极值理论，在④中对T1求导数，并令其为零，得到：

0＝2T1+2T2dT2/d T1+2T2d T3/d T1  ⑤

最后将⑤式和①、②、③合并便可得到唯一的最小推力分配矩阵⑥、⑦、⑧。

T1＝k1×Fx+k2×Fy  ⑥

T2＝k1×Fx-k2×Fy  ⑦

T3＝FZ             ⑧

其中k1＝1/cosθ，k2＝1/siaθ。

推力/电压转换方法由运行于ARM微控制器内的程序执行，其流程图如图3所示：

读取推力分配结果中的推力值；

该推力值减去推进器所能接受的实际电压值的下限，所得结果除以实际电压范围，实际电压范围为实际电压最大值减去实际电压最小值；

除以实际电压范围后结果再乘以推力值范围，推力值范围为推力值最大值减去推力值最小值；

乘以推力值范围后所得结果加上实际电压最小值做为最后输出的推进器控制电压值。

微型ROV的控制器多采用嵌入式控制器，ARM控制器处理速度快、能耗低、外设驱动丰富，特别适合微型ROV的特点。在操作系统的选择上，目前广泛采用的有linux、wince等。Linux因其开放源代码的有点，大大降低了开发成本，又因其良好的实时性和稳定性，使其优势更加明显。

Claims (9)

1.一种微型水下机器人矢量布置推进器推力分配方法，其特征在于包括以下步骤：

以矢量布置推进器推力分配能耗矩阵作为计算推力的依据；

通过极值理论计算最小能耗的推力分配结果；

通过尖峰值去除方法去除不正常数据，得到正常范围内的推进器控制电压；

通过推力/电压转换方法将计算得到的分配结果转化为实际控制电压。

2.按权利要求1所述的微型水下机器人矢量布置推进器推力分配方法，其特征在于所述尖峰值去除方法包括以下步骤：

读取推力分配结果电压值；

判断该电压值是否大于设定的上限；

若推力分配结果电压值大于上限，将该电压值设为上限；

判断是否小于下限；

若推力分配结果电压值小于下限，将该电压值设为下限。

输出经过上述处理的电压值。

3.按权利要求2所述的微型水下机器人矢量布置推进器推力分配方法，其特征在于：若推力分配结果电压值不小于下限，则以电压值原值作为输出数据。

4.按权利要求2所述的微型水下机器人矢量布置推进器推力分配方法，其特征在于：若推力分配结果电压值不大于上限，则接续判断判断推力分配结果电压值是否小于下限步骤。

5.按权利要求2所述的微型水下机器人矢量布置推进器推力分配方法，其特征在于所述推力/电压转换方法包括以下步骤：

读取推力分配结果中的推力值；

该推力值减去推进器所能接受的实际电压值的下限，所得结果除以实际电压范围，实际电压范围为实际电压最大值减去实际电压最小值；

除以实际电压范围后结果再乘以推力值范围，推力值范围为推力值最大值减去推力值最小值；

乘以推力值范围后所得结果加上推力值最小值作为最后输出的推进器控制电压值。

6.按权利要求1所述的微型水下机器人矢量布置推进器推力分配方法，其特征在于：所述推进器为三个，2个在水平方向上布置，1个在垂直方向上布置，两个水平方向布置的推进器与对称轴夹角相同，均为θ，垂直方向的推进器与水平面夹角为90度，推力结果如下：

T1＝k1×Fx+k2×Fy

T2＝k1×Fx-k2×Fy

T3＝FZ

其中，Fx、Fy、FZ分别为微型ROV前进、侧移、潜浮三个自由度方向上的力，T1、T2、T3为三个推进器的推力，k1＝1/cosθ，k2＝1/siaθ。

7.一种微型水下机器人矢量布置推进器推力分配装置，其特征在于包括：控制信号产生单元、微控制器以及电压输出单元，其中：

控制信号产生单元产生电压控制信号，输出至微控制器；

微控制器对电压控制信号进行处理，生成实际的电压控制信号至电压输出单元；

电压输出单元将实际的电压控制信号施加到机器人矢量布置推进器上。

8.按权利要求7所述的微型水下机器人矢量布置推进器推力分配装置，其特征在于：微控制器及电压输出单元均为PC104总线接口。

9.按权利要求7所述的微型水下机器人矢量布置推进器推力分配装置，其特征在于：电压输出单元的输出电压范围为-10伏～10伏。

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