CN106335616B

CN106335616B - 一种过驱动遥控作业水下机器人的推力分配方法

Info

Publication number: CN106335616B
Application number: CN201610811068.7A
Authority: CN
Inventors: 李新飞; 崔洪斌; 谢耀国; 袁利毫; 祝海涛; 姜迈
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2016-09-08
Filing date: 2016-09-08
Publication date: 2018-04-17
Anticipated expiration: 2036-09-08
Also published as: CN106335616A

Abstract

本发明属于无人水下机器人运动控制技术领域，具体涉及一种六自由度运动控制系统的过驱动作业型遥控水下机器人的推力分配方法。本发明先根据作业型ROV所安装8台液压推进器呈矢量对称布置的特点对推进器进行分组，在进行推力分配时，先将水平面的三个控制量纵向推力、横向推力和偏航推力矩进行归一化处理，然后将归一化后的水平面三个控制量分别进行放大，分配成水平面的4台推进器的期望控制推力。本发明中的推力分配方法可使过驱动作业型ROV六自由度运动控制系统化简为水平面控制和垂直面控制进行设计，降低了作业型ROV运动控制系统的维数和设计难度，也简化了过驱动作业型ROV的推力分配方法，提高了控制系统的可靠性。

Description

一种过驱动遥控作业水下机器人的推力分配方法

技术领域

本发明属于无人水下机器人运动控制技术领域，具体涉及一种六自由度运动控制系统的过驱动作业型遥控水下机器人(ROV—Remotely Operated Vehicle)的推力分配方法。

背景技术

作业型ROV的最大特点是能在危险深海环境中完成高强度、大负荷和高精度作业，它是我国实施深海资源开发战略不可或缺的重大技术装备之一。开发作业型ROV仿真训练模拟器，可在虚拟环境中对作业人员进行岗位培训，并对水下作业进行预演，提高作业效率及安全性，具有重要的工程价值和现实意义。

本发明中研究的作业型ROV安装8台呈矢量布置型式的液压螺旋桨推进器，需要实现4-6个自由度的运动控制，是一种典型的过驱动运动控制系统。过驱动作业型ROV推力分配方法的难点主要包括以下四个方面：(1)一般水下机器人只需要控制3个(前进/后退、纵摇、转艏)自由度运动，而作业型ROV需要同时控制4-6个自由度运动，系统控制维数高，设计难度大。(2)本发明所研究的ROV安装8台矢量布置型式的液压推进器，实现ROV六自由度运动控制需要8台推进器同时动作，属于典型的过驱动系统的推力分配问题，如何将4-6个控制量合理的分配到8台推进器上，难度较大。(3)作业型ROV的推进器是一种伺服阀控制液压螺旋桨推进器，是一种典型的惯性环节，推力命令的执行存在较大的滞后特性，如果没有一种合适的过驱动系统推力分配方法，可能引起作业型ROV的8台液压推进器运动响应存在相位差，甚至将导致ROV运动产生稳态振荡现象。(4)液压推进器存在推力阈值和响应速率的的限制，实现推进器约束条件下过驱动ROV推力分配问题，是ROV控制系统设计主要难点之一。因此，过驱动系统的推力分配方法成为开发作业型ROV仿真训练模拟器和实际ROV作业装备的关键技术之一。

本发明在已知作业型ROV水动力学模型的基础上，根据过ROV的8台液压推进器呈矢量对称布置的特点，设计了一种过驱动系统的推力分配方法，能够实现将控制指令合理的分配成8台推进器的期望推力命令，经过推力合成矩阵，输出实际六自由度的推力和推力矩，最终实现满足ROV水下作业要求的六自由度运动控制，且有效的消除了稳态振荡现象，提升ROV的控制性能。本发明最终应用于作业型ROV仿真训练模拟器研制中，也可应用于ROV实际作业装备系统的研制中。

发明内容

本发明目的在于提供一种可应用于作业型ROV实际装备和仿真训练模拟器的过驱动遥控作业水下机器人的推力分配方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种过驱动遥控作业水下机器人的推力分配方法，先根据作业型ROV所安装8台液压推进器呈矢量对称布置的特点对推进器进行分组，在进行推力分配时，先将水平面的三个控制量纵向推力、横向推力和偏航推力矩进行归一化处理，然后将归一化后的水平面三个控制量分别进行放大，分配成水平面的4台推进器的期望控制推力；将垂直面的三个控制量垂向推力、横倾推力矩和纵倾推力矩进行归一化处理，然后将归一化后的垂直面三个控制量分别进行放大处理，分配成垂直面的4台推进器的期望控制推力。

所述的根据作业型ROV所安装8台液压推进器呈矢量对称布置的特点对推进器进行分组，根据8台推进器布置特点，将推进器分成两组：第一组水平面安装的4台推进器，用于控制ROV在水平面运动即纵向进退、横移和转艏，第二组垂直面安装的4台推进器，用于控制ROV在垂直面运动即垂向升沉、横倾和纵倾。

所述的将水平面的三个控制量纵向推力、横向推力和偏航推力矩进行归一化处理，首先根据控制模式选择模块来选择操纵手柄模式有效，还是自动控制功能有效；然后，操纵手柄输出和自动功能输出的水平面控制命令之间呈比例关系；最后，将输出的水平面三个控制量：纵向推力、横向推力和偏航推力矩进行归一化处理。

所述的将垂直面的三个控制量垂向推力、横倾推力矩和纵倾推力矩进行归一化处理，首先根据控制模式选择模块来选择操纵手柄模式有效，还是自动控制功能有效；然后，操纵手柄输出的垂向推力命令和自动功能输出的垂向推力命令之间呈比例关系；最后，将输出的垂直面三个控制量：垂向推力、横倾推力矩和纵倾推力矩进行归一化处理。

本发明的有益效果在于：

本发明中的推力分配方法可使过驱动作业型ROV六自由度运动控制系统化简为水平面控制和垂直面控制进行设计，降低了作业型ROV运动控制系统的维数和设计难度，也简化了过驱动作业型ROV的推力分配方法，提高了控制系统的可靠性。本发明中的推力分配方法先分别将水平面和垂直面的控制量进行归一化处理，然后分为水平面和垂直面控制和推力分配，这就考虑了推进器的推力饱和约束特性，避免了推力分配方法输出的某个推进器的期望推力超过其最大推力阈值限制，有效的提高了运动控制系统的控制能力，降低了ROV在水下作业的风险。本发明中的过驱动系统推力分配方法，将运动控制器的输出的推力及推力矩直接分配给8台推进器执行，具有可消除ROV运动状态产生稳态振荡的优点，具有重要的工程应用价值和现实意义。

附图说明

图1为作业型ROV的本体坐标系{b}及其运动速度在{b}中的描述。

图2为4台水平推进器的布置示意图。

图3为4台垂直推进器的布置示意图。

图4为作业型ROV六自由度运动控制及推力分配系统的组成框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述：

表1为8台推进器的编号及其在坐标系{b}位置参数。

本发明根据作业型ROV所安装8台液压推进器呈矢量对称布置的特点(如图2所示)，首先将8台液压推进器分成两组，第一组水平面安装的4台推进器(其布置特点见图2所示)，用于控制ROV在水平面运动(纵向进退、横移和转艏)，第二组垂直面安装的4台推进器(其布置特点见图3所示)，用于控制ROV在垂直面运动(垂向升沉、横倾和纵倾)。其次，在进行推力分配时，先将水平面的三个控制量(纵向推力、横向推力和偏航推力矩)进行归一化处理，然后将归一化后的水平面三个控制量分别进行放大，再按照式(15)中的方法，分配成水平面的4台推进器的期望控制推力；将垂直面的三个控制量(垂向推力、横倾推力矩和纵倾推力矩)进行归一化处理，然后将归一化后的垂直面三个控制量分别进行放大处理，再按照式(16)中的方法，分配成垂直面的4台推进器的期望控制推力。最后，8台推进器的期望输出推力，经过推力合成矩阵作用，输出六个自由度的推力及推力矩，并作用到ROV本体水动力模型上，从而实现作业型ROV的六自由度运动控制。

如图4所示，本发明包括：ROV本体水动力学模型、ROV运动学模型、六自由度运动控制器、控制模式选择模块、水平面推力命令归一化模块、垂直面推力命令归一化模块、水平面推力命令放大模块、垂直面推力命令放大模块、水平方向推进器的推力分配模块、垂直方向推进器的推力分配模块、推进器的推力合成模块和ROV操纵手柄模块。本发明可实时模拟如何将纵向推力、横向推力和偏航推力矩合理的分配到4台水平推进器上；可实时模拟如何将垂向推力、纵倾力矩和横倾推力矩合理的分配到4台垂直推进器上；可模拟如何将8台推进器的推力合成六个自由度的推力矢量作用到作业型ROV本体模型上；可模拟在保持ROV纵倾和横倾姿态角的条件下，操纵手柄输出4个方向的运动指令，来控制作业型ROV的纵向进退、横向移动、垂向升沉和转艏运动。

本发明的目的是这样实现的，如图4所示，具体步骤如下：

第一步，“ROV本体水动力学模型”模块输出本体坐标系{b}下ROV的六自由度运动状态，如速度向量[u v w]^T和角速度向量[p q r]^T。

其中：u——纵向运动速度；v——横向运动速度；w——垂向运动速度；p——横倾角速度；q——的纵倾角速度；r——偏航角速度。

ROV本体坐标系o_b-x_by_bz_b如图1所示，坐标原点位于ROV的重心，纵轴o_bx_b平行于水下机器人基线指向艇首，横轴o_by_b平行于基面指向右舷，垂轴o_bz_b指向艇底，其方向符合右手定则，通常将ROV本体坐标系简称为{b}。

第二步，“ROV运动学模型”模块将本体坐标系{b}下ROV的六自由度运动状态转化成北东坐标系{n}下的运动状态，具体转化方法如下式(1)-(6)所示：

式中：——坐标系{n}中ROV的北向运动速度；——坐标系{n}中ROV的东向运动速度；——坐标系{n}中ROV的垂向运动速度；——坐标系{n}中ROV的横倾角速度；——坐标系{n}中ROV的纵倾角速度；——坐标系{n}中ROV的偏航角速度。

北东地坐标系o_n-x_ny_nz_n亦称固定坐标系，简称{n}坐标系，可取为运载器与地球表面的切平面，其原点o_n可取为这个切平面中的任意一定点，o_nz_n轴的正向指向地心，o_nx_n轴的正向指向真北方向，o_ny_n轴的正向指向真东方向。

第三步，“六自由度运动控制器”模块根据实时采集的ROV六自由度的运动状态，根据自动控制指令并经过PID控制算法，输出水平面的控制向量[τ_X τ_Y τ_N]^T和垂直面的控制向量[τ_Z τ_K τ_M]^T。

式中：τ_X——坐标系{b}中ROV纵向推力命令；τ_Y——坐标系{b}中ROV横向推力命令；τ_N——坐标系{b}中ROV偏航推力矩命令；τ_Z——坐标系{b}中垂向推力命令；τ_K——坐标系{b}中的横倾推力矩命令；τ_M——坐标系{b}中ROV的纵倾推力矩命令。

第四步，“ROV操纵手柄”模块输出ROV本体坐标系{b}中四个方向的推力或推力矩指令J_X、J_Y、J_N和J_Z。

式中：J_X——操纵手柄的纵向推力指令；J_Y——操纵手柄的横向推力指令；J_N——操纵手柄的转艏推力矩指令；J_Z——操纵手柄的垂向推力指令。

第五步，“控制模式选择”模块的功能是选择ROV操纵手柄和自动控制哪一种模式有效。

1)若自动控制命令有效，则“控制模式选择”模块输出以下水平面的控制指令：

式中：η_X——“控制模式选择”模块输出的纵向推力指令；η_Y——“控制模式选择”模块输出的横向推力指令；η_N——“控制模式选择”模块输出的转艏推力矩指令。

“控制模式选择”模块输出以下垂直面的控制指令：

式中：η_Z——“控制模式选择”模块输出的垂向推力指令；η_K——“控制模式选择”模块输出的横倾推力矩指令；η_M——“控制模式选择”模块输出的纵倾推力矩指令。

2)若操纵手柄控制命令有效，则“控制模式选择”模块输出以下水平面控制指令：

式中：ξ_X——操纵手柄纵向推力指令的放大倍数；ξ_Y——操纵手柄横向推力指令的放大倍数；ξ_N——操纵手柄转艏力矩指令的放大倍数。

“控制模式选择”模块输出以下垂直面控制指令：

式中：ξ_Z——操纵手柄垂向推力指令的放大倍数。

第六步，“水平面推力命令归一化”模块功能是将水平面的三个控制指令进行归一化，方法如下式(11)所示：

式中：δ₁——归一化的纵向推力指令；δ₂——归一化的横向推力指令；δ₃——归一化的偏航推力矩指令。

第七步，“垂直面推力命令归一化”模块功能是将垂直面的三个控制指令归一化，方法如下式(12)所示：

式中：ε₁——归一化的垂向推力指令；ε₂——归一化的横倾推力矩指令；ε₃——归一化的纵倾推力矩指令。

第八步，“水平面推力命令放大”模块将归一化后的水平面推力指令放大，方法如下式(13)所示：

式中：X、Y、N——分别为“水平面推力命令放大”模块输出的纵向推力值、横向力值和偏航推力矩值；k₁、k₂、k₃——分别为纵向推力指令、横向推力指令和偏航推力矩指令的放大倍数。

第九步，“垂直面推力命令放大”模块将归一化后的垂直面推力指令放大，方法如下式(14)所示：

式中：Z、K、M——分别为“水平面推力命令放大”模块输出的纵向推力值、横向推力值和偏航推力矩值；l₁、l₂、l₃——分别为垂向推力指令、横倾推力矩指令和纵倾推力矩指令的放大倍数。

第十步，“水平方向推进器的推力分配”模块将按照下式(15)方法，分配得到4台水平方向推进器的期望推力值。

式中：u₁、u₂、u₃、u₄——分别为分配给水平方向1号、2号、3号和4号推进器的期望推力值。

第十一步，“垂直方向推进器的推力分配”模块将按照下式(16)方法，分配得到4台垂直方向推进器的期望推力值。

式中：u₅、u₆、u₇、u₈——分别为分配给垂直方向5号、6号、7号和8号推进器的期望推力值。

第十二步，8台推进器的期望推力输入到“推进器的推力合成”模块，按照下式(17)-(18)中方法，输出六个自由度的推力及推力矩矢量τ。

若8推进器的矢量布置矩阵B(β)表示为式(17)，则作用到ROV本体水动力学模型上的推力及推力矩向量τ和8台推进器期望推力向量u之间的关系如下式(18)所示：

式中：β₁、β₂、β₃、β₄——4台水平方向推进器分别与本体坐标系{n}的o_bx_b轴的夹角；β₁、β₂、β₃、β₄——4台垂直方向推进器分别与本体坐标系{n}的o_bz_b轴的夹角；x_h、y_h、z_h——为4台水平推进器分别距离o_bx_b、o_by_b、o_bz_b轴的距离；x_v、y_v、z_v——为4台垂直推进器分别距离o_bx_b、o_by_b、o_bz_b轴的距离；符号c——余弦函数cos(·)；符号s——正弦函数sin(·)。

τ＝B(β)u(18)

式中：τ＝[X_T Y_T Z_T K_T M_T N_T]^T——作用于ROV本体上的六个自由度的推力及推力矩向量；u＝[u₁ u₂ u₃ u₄ u₅ u₆ u₇ u₈]^T——8台推进器的推力向量；X_T——作用到ROV本体上的纵向推力；Y_T——作用到ROV本体上的横向推力；Z_T——作用到ROV本体上的垂向推力；K_T——作用到ROV本体上的横倾推力矩；M_T——作用到ROV本体上的纵倾推力矩；N_T——作用到ROV本体上的转艏推力矩；

第十三步，按照式(18)输出的六个自由度的推力及推力矩向量τ，作用到ROV本体模型上，从而使ROV按照期望的控制指令运动。

第一步，根据图4所示，建立过驱动作业型ROV的运动控制及推力分配系统的仿真框图，包括：ROV本体水动力学模型、ROV运动学模型、六自由度运动控制器、控制模式选择模块、水平面推力命令归一化模块、垂直面推力命令归一化模块、水平面推力命令放大模块、垂直面推力命令放大模块、水平方向推进器的推力分配模块、垂直方向推进器的推力分配模块、推进器的推力合成模块和ROV操纵手柄模块。

第二步，根据本体坐标系{b}中的六自由度的“ROV本体水动力学模型”，输出本体坐标{b}中ROV运动状态。ROV本体水动力学模型如下式(19)：

式中：M∈(6×6)——系统惯性矩阵；C(υ)∈(6×6)——科氏向心力矩阵；D(υ)∈(6×6)——由水动力引起阻尼力矩阵；g(η)∈(6×1)——重力和浮力引起的力和力矩向量；υ∈(6×1)——ROV的速度和角速度向量；——ROV的加速度和角加速度向量；τ∈(6×1)——ROV的推力及推力矩矢量。

可根据作业型ROV等缩比模型试验得到的水动力参数，计算出式(19)中的ROV水动力学模型中的系数矩阵M、C(υ)、D(υ)、g(η)。将六自由度的控制力和力矩矢量τ，将其代入到ROV水动力学模型，即可计算得到本体坐标系{b}中的运动状态。

第三步，使用“ROV的运动学模型”，将ROV本体坐标系{b}中的线速度状态转化为大地坐标系{n}中来表示。

大地坐标系{n}中ROV的线速度向量可由下式(20)计算：

式中：——大地坐标系{n}中的线速度向量；v＝[u v w]^T——本体坐标系{b}中的线速度向量；Θ＝[φ θ ψ]^T——坐标系{n}和坐标系{b}之间的欧拉角向量；R(Θ)——坐标系{b}到坐标系{n}的线速度转换矩阵。

第四步，使用“ROV的运动学模型”，将本体坐标系{b}中的ROV角速度运动状态转化为大地坐标系{n}中来表示。

在大地坐标系{n}中ROV的角速度向量可由下式(21)计算：

式中：——大地坐标系{n}中角速度向量；ω＝[p q r]^T——本体坐标系{b}中的角速度向量；T(Θ)——坐标系{b}到{n}的角速度转换矩阵。

第五步，“六自由度运动控制器”模块根据实时采集的ROV六自由度的运动状态，根据自动控制算法，输出水平面的推力和推力矩指令τ_X、τ_Y、τ_Z，输出垂直面的推力和推力矩指令τ_Z、τ_K、τ_M。

第四步，“ROV操纵手柄”模块输出ROV本体坐标系{b}中四个方向的推力指令J_X、J_Y、J_N和J_Z。

第五步，“控制模式选择”模块选择自动控制命令还是操纵手柄控制模式有效，按照式(7)和(9)输出水平面的三个控制指令η_X、η_Y、η_N，按照式(8)和(10)输出垂直面的三个控制指令η_Z、η_K、η_M。

第六步，“水平面推力命令归一化”模块将水平面控制指令归一化，方法如式(11)所示，输出归一化的水平面控制指令δ₁、δ₂、δ₃。

第七步，“垂直面推力命令归一化”模块将垂直面控制指令归一化，方法如式(12)所示，输出归一化的垂直面控制指令ε₁、ε₂、ε₃。

第八步，“水平面推力命令放大”模块将归一化后的水平面推力指令放大为X、Y、N，如式(13)所示。

第九步，“垂直面推力命令放大”模块将归一化后的垂直面推力指令放大为Z、K、M，如式(14)所示。

第十步，根据表1中所示的作业型ROV的8台推进器的矢量布置特点和参数，按照式(17)计算出推力合成矩阵B(β)。

表1 8台推进器的编号及其在坐标系{b}位置参数

第十一步，按照式(15)的推力分配方法，“水平方向推进器的推力分配”模块输出4台水平方向推进器的分配期望推力值u₁、u₂、u₃和u₄。

第十二步，按照式(16)推力分配方法，“垂直方向推进器的推力分配”模块输出4台垂直方向推进器的分配期望推力值u₅、u₆、u₇和u₈。

第十三步，将分配给8台推进器的期望推力输入到“推进器的推力合成”模块，按照式(18)的合成方法，输出六个自由度的推力和推力矩向量，如下所示：

τ＝[X_T Y_T Z_T K_T M_T N_T]^T。

第十四步，将六自由度推力和推力矩的向量τ，输入到“ROV本体水动力学模型”模块，从而驱动作业型ROV按照期望的控制指令运动。

本发明中的推力分配方法最终应用于作业型ROV仿真训练模拟器的研制中，实现了虚拟仿真环境下作业型ROV的8台推进器的推力分配和六自由度运动控制。

Claims

1.一种过驱动遥控作业水下机器人的推力分配方法，其特征在于：先根据作业型ROV所安装8台液压推进器呈矢量对称布置的特点对推进器进行分组，在进行推力分配时，先将水平面的三个控制量纵向推力、横向推力和偏航推力矩进行归一化处理，然后将归一化后的水平面三个控制量分别进行放大，分配成水平面的4台推进器的期望控制推力；将垂直面的三个控制量垂向推力、横倾推力矩和纵倾推力矩进行归一化处理，然后将归一化后的垂直面三个控制量分别进行放大处理，分配成垂直面的4台推进器的期望控制推力。

2.根据权利要求1所述的一种过驱动遥控作业水下机器人的推力分配方法，其特征在于：所述的根据作业型ROV所安装8台液压推进器呈矢量对称布置的特点对推进器进行分组，根据8台推进器布置特点，将推进器分成两组：第一组水平面安装的4台推进器，用于控制ROV在水平面运动即纵向进退、横移和转艏，第二组垂直面安装的4台推进器，用于控制ROV在垂直面运动即垂向升沉、横倾和纵倾。

3.根据权利要求1所述的一种过驱动遥控作业水下机器人的推力分配方法，其特征在于：所述的将水平面的三个控制量纵向推力、横向推力和偏航推力矩进行归一化处理，首先根据控制模式选择模块来选择操纵手柄模式有效，还是自动控制功能有效；然后，操纵手柄输出和自动控制功能输出的水平面控制命令之间呈比例关系；最后，将输出的水平面三个控制量：纵向推力、横向推力和偏航推力矩进行归一化处理。

4.根据权利要求1所述的一种过驱动遥控作业水下机器人的推力分配方法，其特征在于：所述的将垂直面的三个控制量垂向推力、横倾推力矩和纵倾推力矩进行归一化处理，首先根据控制模式选择模块来选择操纵手柄模式有效，还是自动控制功能有效；然后，操纵手柄输出的垂向推力命令和自动控制功能输出的垂向推力命令之间呈比例关系；最后，将输出的垂直面三个控制量：垂向推力、横倾推力矩和纵倾推力矩进行归一化处理。