CN102530206A

CN102530206A - 无人自治水下机器人差动姿态控制系统

Info

Publication number: CN102530206A
Application number: CN2012100329414A
Authority: CN
Inventors: 唐智杰; 沈佳丽; 汪帅; 何清波; 罗均; 谢少荣
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2012-02-15
Filing date: 2012-02-15
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2032-02-15
Also published as: CN102530206B

Abstract

本发明公开了一种无人自治水下机器人差动姿态控制系统。它包括：一个差动姿态调节机构连接一个姿态传感器和主控制器，所述差动调节机构是一个针对安装在水下机器人本体两侧的浆叶进行调节的机构，该机构采用对称差动结构，用于实现水下机器人本体左右的浆叶发生差动反向翻转，实现水下机器人本体的横摇方向受力，进而实现横摇姿态调节的目的；所述主控制器与所述差动调节机构相连，实现控制差动调节机构相连实现水下机器人横摇姿态控制，所述姿态传感器与所述主控制器相连，实现水下机器人姿态信息的读取。本姿态控制系统可广泛适用于水下机器人的姿态控制。

Description

无人自治水下机器人差动姿态控制系统

技术领域

本发明涉机器人姿态控制领域，特别是涉及一种无人自治水下机器人的差动姿态控制系统。

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遥控控制，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。

目前无人自治水下机器人一般采用一个水平方向的主推进器推进，在垂直和侧向方向不设置推进器，水下机器人的横摇姿态依靠机器人自身的重心和浮心平衡来实现，这样无法实现有效的横摇姿态的主动控制。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的问题，提供一种无人自治水下机器人差动姿态控制系统，实现对水下机器人的横摇姿态控制。

为达到上述目的，本发明的构思是：本发明在水下机器人本体两侧安装浆叶，采用对称差动驱动机构对浆叶进行驱动，来控制浆叶与水下机器人本体前进方向成一定翻转夹角，左右侧浆叶翻转方向相反，实现横摇方向差动驱动力，最终完成水下机器人本体的横摇方向受力调节，进而实现横摇姿态调节的目的，本发明的水下机器人差动姿态控制系统,包括：差动调节机构、主控制器和姿态传感器；

差动姿态调节机构包括舵机、螺钉、摇臂、连接杆、连接套、传动轴、密封螺母、套杆、摆动连接块、短轴、支架和桨叶等；

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种水下机器人差动姿态控制系统，包括一个主控制器连接一个差动调节机构和一个姿态传感器，其特征在于所述姿态传感器，用于感应水下机器人的姿态角，并将姿态角信息传给主控制器，所述调解机构是一个针对安装在水下机器人本体两侧的浆叶进行调节的机构，该机构采用对称差动结构，用于实现水下机器人本体左右的浆叶发生差动反向翻转，实现水下机器人本体的横摇方向受力，进而实现横摇姿态调节的目的。

上述差动调节机构采用对称差动结构，用于实现水下机器人本体左右的浆叶发生差动反向翻转，实现水下机器人本体的横摇方向受力，进而实现横摇姿态调节的目的；该机构包括舵机、螺钉、第一、第二和第三摇臂、第一和两个第二连接杆、第一、第二、两个第三和两个第四连接套、传动轴、密封螺母、套杆、两个摆动连接块、两个短轴、两个支架和两个桨叶；所述第一摇臂与所述舵机输出轴相连，通过螺钉固定；所述螺钉穿过所述第一摇臂与所述第一连接套相连并固定；所述第一连接杆穿过所述第一和第二连接套，并分别由螺钉固定；所述螺钉穿过第二摇臂与第二连接套相连；所述传动轴与第三摇臂相连，并由螺钉固定；所述密封螺母穿过传动轴，固定在艇体外壳上下两侧；所述第三摇臂与传动轴相连，并由螺钉固定；所述螺钉穿过第三摇臂两端分别与两个第三连接套相连并固定；所述两个第二连接杆分别穿过两套第三和第四连接套，并分别由螺钉固定；所述螺钉分别穿过两个摆动连接块与第四连接套相连并固定；所述两根短轴分别穿过两个支架、摆动连接块与套杆相连，并由螺钉固定；所述两个桨叶分别与两个套杆相连，并由螺钉固定。

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，控制差动调节机构，达到控制水下机器人姿态的目的。

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两侧的差动调节机构，通过该机构调节水下机器人横摇方向的受力控制，实现控制水下机器人横摇姿态。

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示例中差动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

本发明的优选实施例结合附图详述如下：

实施例一：

如图1所示，在本无人自治水下机器人姿态控制系统包括一个主控制器（101）连接一个差动姿态调节机构（102）和一个姿态传感器（103），其特征在于所述姿态传感器（103）用于感应水下机器人的姿态角，并将姿态角信息传给主控制器（101）；所述差动姿态调节机构（102）是一个针对安装在水下机器人本体两侧的浆叶进行调节的机构，实现水下机器人横摇姿态控制。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

参见图2，差动调节机构（102）采用对称差动结构，用于实现水下机器人本体左右的浆叶（24a、24b）发生差动反向翻转，实现水下机器人本体的横摇方向受力，进而实现横摇姿态调节的目的；该机构包括舵机（1）、螺钉（2、3、4、8、9、11、12、17、18、20a、20b、22a、22b、27a、27b、28a、28b、31a、31b、32a、32b）、第一、第二和第三摇臂（5、13、19）、第一和两个第二连接杆（6、23）、第一、第二、两个第三和两个第四连接套（7、10、21a、21b、30a、30b）、传动轴（14）、密封螺母（15）、套杆（16）、两个摆动连接块（29a、29b）、两个短轴（33a、33b）、两个支架（34a、34b）和两个桨叶（24a、24b）；所述第一摇臂（5）与所述舵机（1）输出轴相连，通过螺钉（2、4）固定；所述螺钉（3）穿过所述第一摇臂（5）与所述第一连接套（7）相连并固定；所述第一连接杆（6）穿过所述第一和第二连接套（7、10），并分别由螺钉（8、9）固定；所述螺钉（11）穿过第二摇臂（13）与第二连接套（10）相连；所述传动轴（14）与第三摇臂（13）相连，并由螺钉（12）固定；所述密封螺母（15）穿过传动轴（14），固定在艇体外壳（16）上下两侧；所述第三摇臂（19）与传动轴（14）相连，并由螺钉（17、18）固定；所述螺钉（20）穿过第三摇臂（19）两端分别与两个第三连接套（21a、21b）相连并固定；所述两个第二连接杆（23）分别穿过两套第三和第四连接套（21a、21b、30a、30b），并分别由螺钉（22a、22b、31a、31b）固定；所述螺钉（28a、28b）分别穿过两个摆动连接块（29a、29b）与第四连接套（30a、30b）相连并固定；所述两根短轴（33a、33b）分别穿过两个支架（34a、34b）、摆动连接块（29a、29b）与套杆（26a、26b）相连，并由螺钉（32a、32b、27a、27b）固定；所述两个桨叶（24a、24b）分别与两个套杆（26a、26b）相连，并由螺钉（25a、25b）固定。当驱动舵机（1）实现一定转角时，浆叶24a和浆叶24b分别于本体前进方向成一定翻转夹角，同时浆叶24a和浆叶24b翻转方向相反，这样就可以在浆叶24a和24b上产生相同的横摇方向驱动力，完成水下机器人横摇方向姿态控制。

实施例三：

本实施例与实施例二基本相同，特别之处在于：

参见图3，所述主控制器2由控制器（201）ATmega8L、复位电路（202）、电源电路（203）和LED指示灯电路（204）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，可实现姿态角信息的模数转换，获得姿态角数值，具有PWM脉宽调制输出控制功能、内嵌EEPROM存储器和内置RC振荡时钟电路等，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（103）的信号输出脚相连；所述控制器（201）的信号脚PB3连接舵机（1），通过PWM脉宽调制控制舵机的转角；所述控制器（201）的信号脚PD1、PD2连接LED指示灯电路（204）,用于实现状态指示等功能；所述控制器（201）的复位信号RST与上电复位电路（202）相连。

所述电源电路（203）采用直流电源给系统供电。

所述姿态传感器（103）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。

主控制器（102）通过姿态传感器（103）获得当前水下机器人的姿态信息，根据姿态误差采用PD控制算法进行PWM驱动舵机进行角度控制，进而改变浆叶的受力，实现水下机器人横摇方向的受力控制，最终实现水下机器人横摇姿态控制。

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控制算法调节舵机PWM

驱动参数；

（d）根据PWM参数，实时PWM驱动舵机对浆叶角度进行控制；

（e）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

1.一种无人自治水下机器人差动姿态控制系统，包括一个主控制器（101）连接一个差动姿态调节机构（102）和一个姿态传感器（103），其特征在于所述姿态传感器（103）用于感应水下机器人的姿态角，并将姿态角信息传给主控制器（101）；所述差动姿态调节机构（102）是一个针对安装在水下机器人本体两侧的浆叶进行调节的机构，实现水下机器人横摇姿态控制。

2.根据权利要求1所述的无人自治水下机器人差动姿态控制系统，其特征在于所述差动姿态调节机构（102）采用对称差动结构，用于实现水下机器人本体左右的浆叶（24a、24b）发生差动反向翻转，实现水下机器人本体的横摇方向受力，进而实现横摇姿态调节的目的；该机构包括舵机（1）、螺钉（2、3、4、8、9、11、12、17、18、20a、20b、22a、22b、27a、27b、28a、28b、31a、31b、32a、32b）、第一、第二和第三摇臂（5、13、19）、第一和两个第二连接杆（6、23）、第一、第二、两个第三和两个第四连接套（7、10、21a、21b、30a、30b）、传动轴（14）、密封螺母（15）、套杆（16）、两个摆动连接块（29a、29b）、两个短轴（33a、33b）、两个支架（34a、34b）和两个桨叶（24a、24b）；所述第一摇臂（5）与所述舵机（1）输出轴相连，通过螺钉（2、4）固定；所述螺钉（3）穿过所述第一摇臂（5）与所述第一连接套（7）相连并固定；所述第一连接杆（6）穿过所述第一和第二连接套（7、10），并分别由螺钉（8、9）固定；所述螺钉（11）穿过第二摇臂（13）与第二连接套（10）相连；所述传动轴（14）与第三摇臂（13）相连，并由螺钉（12）固定；所述密封螺母（15）穿过传动轴（14），固定在艇体外壳（16）上下两侧；所述第三摇臂（19）与传动轴（14）相连，并由螺钉（17、18）固定；所述螺钉（20）穿过第三摇臂（19）两端分别与两个第三连接套（21a、21b）相连并固定；所述两个第二连接杆（23）分别穿过两套第三和第四连接套（21a、21b、30a、30b），并分别由螺钉（22a、22b、31a、31b）固定；所述螺钉（28a、28b）分别穿过两个摆动连接块（29a、29b）与第四连接套（30a、30b）相连并固定；所述两根短轴（33a、33b）分别穿过两个支架（34a、34b）、摆动连接块（29a、29b）与套杆（26a、26b）相连，并由螺钉（32a、32b、27a、27b）固定；所述两个桨叶（24a、24b）分别与两个套杆（26a、26b）相连，并由螺钉（25a、25b）固定。

3.根据权利要求1所述的无人自治水下机器人差动姿态控制系统，其特征在于所述主控制器（101）与所述差动调节机构（102）的舵机（1）相连，实现控制差动调节机构相连实现水下机器人横摇姿态控制。