CN104656445B - 混合悬浮环境中的阻力效应补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明混合悬浮环境中的阻力效应补偿方法，包括，第一步，通过实测或仿真模拟得到被测物体的动力学参数和动力学参数的拟合函数；并在建立坐标系后得到被测物体的运动方程；第二步，通过被测物体在混合悬浮实验环境中运动，测量得到被测物体当前时刻的测量运动参数；第三步，通过将测量运动参数代入到运动方程中得到其他的未知运动参数，将测量运动参数和得到的未知运动参数代入拟合函数，分别得到阻力系数和阻力矩系数，从而得到阻力和阻力矩；第四步，根据推力分配矩阵向每个推进器进行推力分配，使推进器产生相应的推力和推力矩；第五步，在设定的时间步长内重复第二到第四步，使推进器推力和推力矩逐渐接近阻力和阻力矩，完成阻力效应的补偿。

Description

混合悬浮环境中的阻力效应补偿方法

技术领域

本发明涉及水下机器人的运动控制技术，具体为混合悬浮环境中的阻力效应补偿方法。

背景技术

混合悬浮环境的主要应用是微重力效应模拟实验，用于在地面模拟空间微重力环境，目前国内外都已经建成了大量的此类实验设备。物体在环境中受到浮力、电磁力、重力的共同作用处于悬浮状态，因此其所处空间称为混合悬浮环境。主要方法是将被试对象(包括航天器实物或模型及航天员)全部浸没在水中，先粗略调整配重或漂浮器的浮力，再通过电磁力精确配平，克服被试对象的重力，使其漂浮于水中，近似模拟微重力效应。该方法具有六自由度三维模拟空间，可长时间连续实验。混合悬浮微重力试验是航天技术地面实验的一种有效手段，它通过水的浮力和电磁力共同克服物体的重力，实现微重力效应的模拟，但是水动阻力的存在使其应用受到很大限制。因为阻力是混合悬浮系统固有的干扰力，不可能使其消除，只能对阻力产生的运动效应进行补偿，所以这也是混合悬浮微重力实验必须解决的关键技术。

现有技术中对混合悬浮环境中的阻力效应的研究主要集中在以下几方面，1)研究六自由度运动水下物体的运动学和动力学特性，分析如何建立精确的数学模型。2)研究水下物体运动的阻力特性，分析影响阻力系数的主要因素。3)研究推力器的控制方法，分析如何提高推进器的控制精度和响应速度。4)研究测量水下物体位置和运动姿态的方法，分析如何提高测量精度。

现有技术中，针对以上研究方向，能够通过对水下实验体的运动控制，利用动量定理和动量矩定理，对六自由度运动的水下实验体建立了精确的运动学和动力学方程。能够通过进行中性浮力实验，对补偿阻力的推进器的控制方法进行了研究与仿真，详细给出推力器控制回路的建立方法，推力器执行机构的数学模型。能够通过水下实验体在水中运动的阻力特性，指出阻力变化的规律，分析实验体深度和运动速度对阻力系数的影响。能够通过用于水下实验体的视觉测量系统，解决传统摄像机三角测量原理无法实现光线折射情况下物体位置准确测量的问题，完成水中实验体的定位解算，求得物体质心坐标。能够通过中性浮力环境中液体阻力的分析与估算，采用数值计算与仿真软件相结合的方法估算实验体所受水阻力。研究涉及复杂外形实验体的阻力估算，首先利用商业软件Fluent仿真得到实验体的阻力系数插值表，再由测量得到的实验体速度、攻角插值得到阻力系数，最后利用公式解算阻力系数。还能够通过设计了PID神经网络控制算法，实现PID参数的在线调整，保证了基于PID神经网络控制的阻力效应补偿方案具有可行性。但以上的研究方向和研究结论的都是对现有技术的细化和深入，以及精度的提高，要求高，原理复杂，操作繁琐，实施难度大；并且均没有涉及到对阻力效应补偿方法的革新和变化，也没有通过实时控制的角度参数对阻力效应补偿进行分析，无法满足混合悬浮系统中要对阻力进行补偿的可靠性和及时性的需求。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种可靠性高，原理简单，从角度参量的影响出发，以实时测量为手段，对阻力进行精确配平补偿的混合悬浮环境中的阻力效应补偿方法。

本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明混合悬浮环境中的阻力效应补偿方法，包括，

第一步，通过实测或仿真模拟得到被测物体的动力学参数和以速度、角速度、攻角或侧滑角为变量得到动力学参数的拟合函数；并在建立坐标系后得到被测物体的运动方程；

第二步，通过被测物体在混合悬浮实验环境中运动，测量得到被测物体当前时刻的测量运动参数；

第三步，通过将第二步中的测量运动参数代入到运动方程中得到其他的未知运动参数，将测量运动参数和得到的未知运动参数代入拟合函数，分别得到阻力系数和阻力矩系数，从而得到阻力和阻力矩；

第四步，根据被测物体的推进器安装和布设方式得到推力分配矩阵，根据推力分配矩阵向每个推进器进行推力分配，使推进器产生相应的推力和推力矩；其中，每个推力器所分派的推力不大于其所能输出推力的极限值，总推力和第三步中得到的阻力大小相等方向相反；

第五步，在设定的时间步长内重复第二步到第四步，使推进器推力和推力矩逐渐接近阻力和阻力矩，完成阻力效应的补偿。

优选的，第二步中，测量运动参数包括姿态角、速度、角速度、加速度和角加速度；姿态角包括俯仰角，滚转角和偏航角。

优选的，第三步中，通过阻力系数和阻力矩系数根据如下表达式分别得到阻力和阻力矩；

被测物体在混合悬浮环境中的阻力表达式为，

物体在混合悬浮环境中沿各轴向的阻力矩表达式分别为，

其中，ρ为液体密度，L为被测物体长度，S为被测物体最大横截面积，v为由第二步测得的物体运动速度，C_x为阻力系数，m_x、m_y、m_z分别为各轴向的阻力矩系数。

优选的，第四步中，推力分配矩阵由如下等式得到，

τ＝LT；

其中，τ是合推力和推力矩，L为推力分配矩阵，T为推进器推力。

优选的，第五步中，完成阻力效应补偿时的判断条件如下，

当被测物体不受外力和外力矩作用时，在混合悬浮环境中保持静止或匀速直线运动和匀角速度运动；或当被测物体受恒定外力作用时，在混合悬浮环境中保持匀加速直线运动；或当被测物体受恒定外力矩作用时，在混合悬浮环境中保持匀角加速转动运动。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明实现了对混合悬浮环境中六自由度运动物体的阻力效应的随动补偿，通过阻力补偿过程中实时采集物体运动参数，来解算阻力补偿的控制量，阻力补偿的实时性强；利用以拟合函数和运动方程为基础补偿系统算法简洁，需要进行处理和传输的数据量少，阻力补偿时的反应灵敏，速度快，原理简单，实施简单可行，操作方便；经实验验证，能够长时间稳定地补偿阻力效应，对被测物体的阻力能够实时的进行稳定可靠的补偿；对于混合悬浮环境中的微重力效应实验仿真度的提高有着重要的意义，为实现微重力效应的逼真模拟提供技术基础。

附图说明

图1为本发明实例中所述方法的原理框图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

对混合悬浮环境中的阻力效应进行补偿，实质上就是通过主动力平衡物体运动时所受阻力，也就是对阻力的精确配平。本发明混合悬浮环境中的阻力效应补偿方法，通过三组共六个螺旋桨推进器对阻力进行随动平衡。螺旋桨推进器分别布置在物体的水平面、垂面和侧面上，推进器轴向与所固连平面平行，固连位置关于质心为坐标原点的体坐标系坐标轴对称。并针对本发明所述的阻力效应补偿方法建立包括测量元件、控制器、电机以及推进器的阻力效应随动补偿系统。在进行具体的阻力效应补偿时包括如下步骤。

第一步：阻力效应补偿的准备阶段，通过多组实验得到物体在混合悬浮环境中各种运动状态下包括力系数和力矩系数的动力学参数，并建立数据库。实验中通过测量系统得到物体的实时运动参数，测量系统由物体内安装的惯性测量元件IMU和多组双目相机组成的视觉测量系统VPS组成。对测量参数进行处理计算，就可得到位置、速度、加速度、角速度、角加速度以及姿态角信息。再求解水下六自由度运动方程，可得到在这种运动状态下的动力学参数。最后建立以速度、角速度、攻角和侧滑角为变量的动力学参数数据库，并根据数据做出用于求解动力学参数的拟合函数。根据坐标系建立物体运动方程。

第二步：物体在混合悬浮实验环境中运动，通过测量系统得到物体当前时刻的测量运动参数，包括姿态角，速度，角速度，加速度和角加速度；其中，姿态角包括俯仰角，偏航角和滚转角。将测量运动参数代入运动方程，由物体内机载计算机解算出其它未知运动参数，也能通过外部计算机解算运动方程，再将解算结果通过光纤或其它技术将数据传输给物体。

第三步：估算当前时刻物体所受的阻力和阻力矩，物体在混合悬浮环境中的阻力表达式为物体在混合悬浮环境中沿各轴向的阻力矩表达式为其中，ρ为液体密度，单位为千克每立方米kg/m²。L为物体长度，单位为米m。S为物体最大横截面积，单位为平方米m²。v为物体运动速度，单位为米每秒m/s，由第二步测得。将实时的测量运动参数和求解得到的位置运动参数代入阻力拟合函数可求出阻力系数C_x，阻力矩系数m_x、m_y、m_z，从而进一步的得到阻力和阻力矩。具体的将测量运动参数中的速度，以及求解得到的未知测量参数中的攻角和侧滑角，代入到阻力拟合函数而对阻力系数C_x和阻力矩系数m_x、m_y、m_z进行求解。

第四步：螺旋桨推进器的推力分配。多个独立的控制器对相应螺旋桨推进器的推力进行控制，多个推进器对物体同时起作用，产生总推力，使得总推力和阻力大小相等方向相反，实现推力与阻力的平衡；推进器的选择和安装由物体具体构型确定。在此过程中，首先根据物体具体的推进器安装和布设方式得到推力分配矩阵。推力分配矩阵可由等式τ＝LT得到：当推进器沿着与实验体三个主轴平行分布时，三个轴向分别布置m,n,k个推进器时，具体表示如下，

其中，τ是合推力和推力矩，L为推力分配矩阵，T为推进器推力。L中元素l_i为推力器T_i相对于重心的距离，当推进器对物体作用的力矩方向沿坐标轴向时，l_i为正，反之为负。求解上式可得每一个推力器的推力大小，并需要保证每个推力器所分配的推力不得大于其所能输出推力的极限值。

每个推进器根据分配到的推力，由控制器控制螺旋桨运转，产生所需的推力和推力矩。螺旋桨推进器的实际转速为n，期望转速为n^*，转速误差e＝n-n^*。将实际转速n和转速误差e输入控制器单元，经控制器运算处理后得到控制量输出给电机，使推进器产生相应的推力和推力矩；能够通过采用PID或其他技术实现对控制量的输出。

第五步：按照一定的时间步长重复第二步到第四步，当推进器推力大小接近阻力大小，且推力不产生剧烈振荡保持稳定时，便可认为阻力效应得到补偿。具体表现为当物体只受到阻力补偿系统控制，且不受外力和外力矩作用时，在混合悬浮环境中保持静止或匀速直线运动和匀角速度运动；或当物体受恒定外力作用时，在混合悬浮环境中保持匀加速直线运动；或当物体受恒定外力矩作用时，在混合悬浮环境中保持匀角加速转动运动。当符合这三种情况中的任意一种时，就能够认为在其它条件下阻力和阻力矩也能获得足够补偿的效果，实现对微重力效应的逼真模拟。

本发明具有较强的实用性和可实施性，通过建立的阻力效应随动补偿系统，能够充分的对本发明进行验证，具体如下。

实验体受到环境中水动力和电磁力的共同作用。用于验证阻力补偿方法的实验体为类球体，实验模型质量为90kg，最大横截面积为0.18m²,水密度为1000kg/m³。推力器沿着与实验体三个主轴平行的方向对称分布，每个轴向布置两个，共六个推进器。将实验体放入实验水池中，测得各运动状态下的动力学参数，建立以速度、角速度、攻角、侧滑角为变量的动力学参数数据库，用MATLAB生成拟合函数，并嵌入机载计算机的阻力补偿控制程序中。阻力补偿过程中，测量系统将测量数据通过光纤和高速数据接口传输给实验体，实验体机载计算机用MATLAB程序解算运动方程，计算出实验体受到的实时阻力和阻力矩。计算机根据推力分配矩阵生成相应的控制指令，控制指令通过高速数据接口传输给控制器，通过控制器控制所有六个推进器产生推力和推力矩。推进器到实验体重心的距离均为l，推力分配矩阵如下所示：

实验体以0.1m/s的初速度匀速运动，对阻力补偿系统进行试验验证。应用PID控制方法对阻力进行了补偿，PID参数整定为：K_p＝50，K_i＝1，K_d＝0.4。推进器推力在阻力补偿初期剧烈变化，峰值达35N，收敛时间为1s，无超调，达到了比较好的控制效果。从而通过实验证明，本发明能够实现对阻力效应快速、稳定和精确的补偿。

Claims (5)

1.混合悬浮环境中的阻力效应补偿方法，其特征在于，包括，

第一步，通过实测或仿真模拟得到被测物体的动力学参数和以速度、角速度、攻角或侧滑角为变量得到动力学参数的拟合函数；并在建立坐标系后得到被测物体的运动方程；

第二步，通过被测物体在混合悬浮实验环境中运动，测量得到被测物体当前时刻的测量运动参数；

第三步，通过将第二步中的测量运动参数代入到运动方程中得到其他的未知运动参数，将测量运动参数和得到的未知运动参数代入拟合函数，分别得到阻力系数和阻力矩系数，从而得到阻力和阻力矩；

第四步，根据被测物体的推进器安装和布设方式得到推力分配矩阵，根据推力分配矩阵向每个推进器进行推力分配，使推进器产生相应的推力和推力矩；其中，每个推力器所分派的推力不大于其所能输出推力的极限值，总推力和第三步中得到的阻力大小相等方向相反；

第五步，在设定的时间步长内重复第二步到第四步，使推进器推力和推力矩逐渐接近阻力和阻力矩，完成阻力效应的补偿。

2.根据权利要求1所述的混合悬浮环境中的阻力效应补偿方法，其特征在于，第二步中，测量运动参数包括姿态角、速度、角速度、加速度和角加速度；姿态角包括俯仰角，滚转角和偏航角。

3.根据权利要求1所述的混合悬浮环境中的阻力效应补偿方法，其特征在于，第三步中，通过阻力系数和阻力矩系数根据如下表达式分别得到阻力和阻力矩；

被测物体在混合悬浮环境中的阻力表达式为，

物体在混合悬浮环境中沿各轴向的阻力矩表达式分别为，

$M_x=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρSLv}}^2{m}_x,$

$M_y=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρSLv}}^2{m}_y,$

$M_z=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρSLv}}^2{m}_z;$

其中，ρ为液体密度，L为被测物体长度，S为被测物体最大横截面积，v为由第二步测得的物体运动速度，C_x为阻力系数，m_x、m_y、m_z分别为各轴向的阻力矩系数。

4.根据权利要求1所述的混合悬浮环境中的阻力效应补偿方法，其特征在于，第四步中，推力分配矩阵由如下等式得到，

τ＝LT；

其中，τ是合推力和推力矩，L为推力分配矩阵，T为推进器推力。

5.根据权利要求1所述的混合悬浮环境中的阻力效应补偿方法，其特征在于，第五步中，完成阻力效应补偿时的判断条件如下，

当被测物体不受外力和外力矩作用时，在混合悬浮环境中保持静止或匀速直线运动和匀角速度运动；

或当被测物体受恒定外力作用时，在混合悬浮环境中保持匀加速直线运动；

或当被测物体受恒定外力矩作用时，在混合悬浮环境中保持匀角加速转动运动。