CN106826837B - 一种水下机器人非视距控制系统 - Google Patents

一种水下机器人非视距控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种水下机器人非视距控制系统，所述的非视距控制系统包括控制上位机、通信链路、非线性PID控制系统；所述的控制上位机位于上层，用于显示现场用户和水下机器人的朝向差动；所述的通信链路位于中层，用于控制上位机与水下机器人的通信；所述的非线性PID控制系统位于下层，用于对水下机器人的方向控制。其优点表现在：本发明实现了水下机器人在极小误差内，用户通过控制上位机实现水下机器人的方向控制，并且水下机器人朝向通过人机界面反馈给用户，通过该系统，使得水下机器人的操作简单，提高控制精度，降低了稳态误差，可以根据水环境的具体情况，对水下机器人做相应调节，满足用户的操作需求，实现了非视距操作。

Description

一种水下机器人非视距控制系统
技术领域
本发明涉及水下机器人控制系统技术领域，具体地说，是一种水下机器非视距控制系统。
背景技术
近年来水下机器人发展迅速，水下机器人无论是在军事，还是在人类生产生活中都有广泛应用，而对其良好的操作方法和运动控制是水下机器人顺利完成任务的重要前提和保障。
现有的水下机器人主要注重机械部分，只能进行简单的机械运动，不能在非视距的条件下顺利完成任务，所谓非视距是指需要通信的两点视线受阻。彼此看不到对方，费涅尔区(围绕视线的圆形区域)大于50％的范围被遮挡。
我国针对非视距机器人的研究起步较晚，关于非视距机器人研究成果主要有：中科院自动化研究所近年来开展了基于互联网的机器人实时双向反馈非视距操作的研究；同济大学的机器人及智能控制系统研究室在基与internet的机器人远程控制技术及其应用方面的研究；清华大学自主研制出拥有高智能化程度的自动驾驶车THMR-V，THMR-V在校园环境里可以自主识别周围环境，在没有人干预的自主行走；哈尔滨工业大学研制出可以无缆行走，自动避障并具有语音识别功能的迎宾机器人。但是，关于非视距控制水下机器人研究则无相应的研究和报道。
目前的水下机器人在水中运动过程中，现场用户不能直接观察到水下机器人的运动状态。现场在水面上通过控制上位机，经浮标通信装置向水下机器人发送指令，给水下机器人的操作带来了巨大的障碍。同时操作系统的不方便性，水下机器人在运作过程中受外界因素的影响，传统PID控制对于水下环境难以建立精确的数学模型导致控制效果较差，大大提高用户通过水下机器人完成指定任务的难度。
中国专利文献CN201610066680.6，申请日2016.01.29，专利名称为：基于能量检测的60GHz毫米波非视距识别与无线指纹定位方法，公开了一种基于能量检测的60GHz毫米波非视距识别与无线指纹定位方法，包括：1)求由信号的偏度与梯度组成的联合参数J、最优归一化门限以及梯度与标准差组成的参数M；2)建立J与最优归一化门限之间的指纹数据库；3)利用指纹数据库，根据J估计最优化门限；4)利用M进行非视距识别；5)进行TOA估计，进而计算出距离；6)进行60GHz无线定位：根据非视距识别结果及TOA估计值，利用传统的定位算法，进行基于60GHz信号的无线定位。
上述专利文献克服了传统的基于能量检测的信号传播时延估计算法必须区分积分周期这一缺点，同时运用人工神经网络解决非线性问题，使得最优归一化门限与联合参数之间的非线性关系更加精确，克服了传统的曲线拟合无法准确估计输入变量与输出变量之间非线性关系这一缺点。但是关于一种操作简单、能够在非视距环境下精确控制，根据周围环境做出相应调节，降低稳态误差的水下机器人非视距控制系统则无相应的公开。
综上所述，亟需一种操作简单、能够在非视距环境下精确控制，根据周围环境做出相应调节，降低稳态误差的水下机器人非视距控制系统。而关于这种水下机器人非视距控制系统还未见报道。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中的不足，一种操作简单、能够在非视距环境下精确控制，根据周围环境做出相应调节，降低稳态误差的水下机器人非视距控制系统。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种水下机器人非视距控制系统，所述的非视距控制系统包括控制上位机、通信链路、非线性PID控制系统；所述的控制上位机位于上层，用于显示现场用户和水下机器人的朝向差动；所述的通信链路位于中层，用于控制上位机与水下机器人的通信；所述的非线性PID控制系统位于下层，用于对水下机器人的方向控制；
所述控制上位机包括：控制摇杆、平板电脑、显示界面APP，用户通过所述控制上位机的控制摇杆，向水下机器人发送方向控制指令，该控制指令通过水面上浮标通信装置送达到水下机器人，并经过非线性PID控制系统处理；
所述现场用户的朝向为第一方向；所述水下机器人的朝向为第二方向，并将该第二方向发送至所述的控制上位机；显示界面APP的用户界面根据该第一方向和第二方向，以第一方向为基准差动显示所述水下机器人的朝向。
作为一种优选的技术方案，控制摇杆供现场用户调节，通过OTG线与平板电脑连接，并将命令发送到平板电脑的显示界面APP，显示界面APP对控制命令进行格式转换后发送到水下机器人；显示界面APP同时接受水下机器人的反馈信息显示水下机器人当前的状态。
作为一种优选的技术方案，所述通信链路包括水面浮体基站、电力线载波模块、脐带缆、以太网转串口模块；所述电力线载波模块位于水面浮体基站内；所述以太网转串口模块位于水下机器人主体内；控制上位机通过WiFi与水面浮体基站实现数据交换，电力线载波模块对信号进行编码和解码以实现信号在脐带缆上的传输，以太网转串口模块实现浮体基站的以太网数据和水下机器人主控MCU串口数据之间的交换。
作为一种优选的技术方案，显示界面APP的用户界面标记有第一手柄、第二手柄；第一手柄表示现场用户朝向，第二手柄表示水下机器人朝向。
作为一种优选的技术方案，第一方向通过控制上位机的电子罗盘检测；第二方向通过水下机器人搭载的惯导传感器检测，第一方向和第二方向的差动关系通过电子罗盘标识。
作为一种优选的技术方案，以控制摇杆行程量的积分为控制量对水下机器人偏航角进行控制，并且附带刹车系统
作为一种优选的技术方案，所述的控制遥杆以100ms为周期进行循环采样，再经过积分累加后发送到水下机器人作为方向的控制设定值。
作为一种优选的技术方案，所述非线性PID控制系统对水下机器人方向控制的方法是：控制上位机通过通信链路向MCU发送方向设定值Set_yaw，然后对控制差值进行非线性化处理，最后经过PID控制器计算得到控制输出发送给执行机构。
作为一种优选的技术方案，控制差值通过传感器检测水下机器人的输出值与控制上位机控制命令之间的差值。
作为一种优选的技术方案，非线性化处理是利用相应的非线性化函数对PID控制器中的控制输入量进行非线性转换。
本发明优点在于：
1、发明实现了水下机器人在极小误差内，用户通过控制上位机实现水下机器人的方向控制，并且水下机器人朝向通过人机界面反馈给用户，通过该系统，使得水下机器人的操作简单，提高控制精度，降低了稳态误差，可以根据水环境的具体情况，对水下机器人做相应调节，满足用户的操作需求，实现了非视距操作。
2、采用该非线性PID控制系统的控制方法用于所述水下机器人方向控制，有效地提高水下机器人对被控参数的控制精度，使水下机器人在行进过程中的误差范围大大减小；
3、显示界面APP以现场用户的方向为基准，应用差动的方法显示水下机器人的方向；让用户更直观的意识到水下机器人当前的朝向；
4、以控制摇杆行程量的积分为控制量对水下机器人偏航角进行控制，附带刹车系统，从而防止操作摇杆复位时由于数据延时和水下机器人惯性而造成控制超调现象，增加了控制系统的精度和稳定性。所述操纵系统简化了降低了操作难度、调高了控制效果
附图说明
附图1是本发明的一种水下机器人非视距控制系统结构框图。
附图2是水下机器人非视距控制系统差动显示用户界面示意图。
附图3为水下机器人通信链路示意图。
附图4为水下机体人通信流程图。
附图5为非线性PID控制系统对水下机器人方向控制方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的具体实施方式作详细说明。
附图中涉及的附图标记和组成部分如下所示：
1.第一手柄 2.第二手柄
3.水下机器人主体 4.脐带缆
5.水面浮体基站 6.控制上位机
7.通信链路 8.非线性PID控制系统
请参照图1，图1是本发明的一种水下机器人非视距控制系统结构框图。一种水下机器人非视距控制系统，所述的非视距控制系统包括控制上位机、通信链路、非线性PID控制系统；所述的控制上位机位于上层，用于显示现场用户和水下机器人的朝向差动；所述的通信链路位于中层，用于控制上位机与水下机器人的通信；所述的非线性PID控制系统位于下层，用于对水下机器人的方向控制。
所述控制上位机包括控制摇杆、平板电脑、显示界面APP；控制摇杆供现场用户调节，通过OTG线与平板电脑连接，并将命令发送到平板电脑的显示界面APP，显示界面APP对控制命令进行格式转换后发送到水下机器人；显示界面APP同时接受水下机器人的反馈信息显示水下机器人当前的状态；在水下机器人的方向控制中，显示界面APP以现场用户的方向为基准，应用差动的方法显示水下机器人的方向；让用户更直观的意识到水下机器人当前的朝向。
请参照图2，图2是水下机器人非视距控制系统差动显示用户界面示意图。显示界面APP的用户界面标记有第一手柄、第二手柄；第一手柄表示现场用户朝向，第二手柄表示水下机器人朝向，用户可通过观察用户界面到所述水下机器人的实时视频。运用控制上位机的电子罗盘检测出控制上位机的朝向，默认与用户朝向一致，在所述用户界面中固定用户朝向(与用户界面朝向相同)为第一方向，以一带刻度电子罗盘显示用户实时朝向，所述水下机器人搭载惯导传感器检测水下机器人实时朝向为第二方向，在电子罗盘中标识出与第一方向的差动关系，显示效果如图1所示。
本发明上层控制上位机中，用户通过操控摇杆控制水下机器人方向的过程中，用户操纵控制摇杆以100ms为周期进行循环采样，再经过积分累加后发送到水下机器人作为方向的控制设定值。并且附加一个刹车系统，从而防止操作摇杆复位时由于数据延时和水下机器人惯性而造成控制超调现象，增加了控制系统的精度和稳定性。所述操纵系统简化了降低了操作难度、调高了控制效果。
所述刹车系统。以yaw方向(绕Z轴转动)为实施例，水下机器人在转动过程中当用户操纵摇杆复位时，由于惯性和数据采集延时会产生一定的过冲量，我们在程序中定义一变量set-process-vel读取实时yaw值，当摇杆复位瞬间将set-process-vel赋值给当前yaw方向设定值set-yaw，从而显小过冲量。当过冲到以极限时，set-process-vel再一次赋值给当前yaw方向设定值set-yaw从而防止回调。
请参照图3，图3为水下机器人通信链路示意图。所述通信链路包括水面浮体基站、电力线载波模块、脐带缆、以太网转串口模块；所述电力线载波模块位于水面浮体基站内；所述以太网转串口模块位于水下机器人主体内；控制上位机通过WiFi与水面浮体基站实现数据交换，电力线载波模块对信号进行编码和解码以实现信号在脐带缆上的传输，以太网转串口模块实现浮体基站的以太网数据和水下机器人主控MCU串口数据之间的交换。
请参照图4，图4为水下机体人通信流程图。控制上位机6发送控制指令，通过WiFi将数据发送到水面浮体基站5，水面浮体基站内置电力线载波模块，将以太网数据进行数据编码，通过脐带缆4传输数据。水下机器人主体与脐带缆连接，内置的电力线载波模块对接受的数据进行解码，再通过内置以太网转串口模块将以太网数据转化为串口数据实现与MCU之间的数据交换。上述通信链路为双向通信。
请参照图5，图5为非线性PID控制系统对水下机器人方向控制方法示意图。所述非线性PID控制系统对水下机器人方向控制方法是：控制上位机通过通信链路向MCU发送方向设定值Set_yaw，然后对控制差值进行非线性化处理，最后经过PID控制器计算得到控制输出发送给执行机构。其中控制差值为通过惯导传感器检测水下机器人的测量值与控制上位机发送的设定值之间的差值。。
非线性处理是利用相应的非线性化函数对PID控制器中的控制输入量进行非线性转换，构造出KP[e(t)]、KI[e(t)]、KD[e(t)]，得到非线性PID控制模型如式(1.1)所示：
其中：KP[e(t)]为非线性比例参数，KI[e(t)]为非线性积分参数，KD[e(t)]为非线性微分参数，e(t)为系统误差，u(t)为PID控制器的输出。
得到非线性PID控制模型如式所示：
Error＝set_point^2-process_vel^2
Pid_out＝kp*error+i_out+kd*(error-error_last)
本发明实现了水下机器人在极小误差内，用户通过控制上位机实现水下机器人的方向控制，并且水下机器人朝向通过人机界面反馈给用户，通过该系统，使得水下机器人的操作简单，提高控制精度，降低了稳态误差，可以根据水环境的具体情况，对水下机器人做相应调节，满足用户的操作需求，实现了非视距操作。
采用该非线性PID控制系统的控制方法用于所述水下机器人方向控制，有效地提高水下机器人对被控参数的控制精度，使水下机器人在行进过程中的误差范围大大减小。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种水下机器人非视距控制系统，其特征在于，所述的非视距控制系统包括控制上位机、通信链路、非线性PID控制系统；所述的控制上位机位于上层，用于显示现场用户和水下机器人的朝向差动；所述的通信链路位于中层，用于控制上位机与水下机器人的通信；所述的非线性PID控制系统位于下层，用于对水下机器人的方向控制；
所述非线性PID控制系统对水下机器人方向控制方法是：控制上位机通过通信链路向MCU发送方向设定值Set_yaw，然后对控制差值进行非线性化处理，最后经过PID控制器计算得到控制输出发送给执行机构；其中控制差值为通过惯导传感器检测水下机器人的测量值与控制上位机发送的设定值之间的差值；
非线性处理是利用相应的非线性化函数对PID控制器中的控制输入量进行非线性转换，构造出KP[e(t)]、KI[e(t)]、KD[e(t)]，得到非线性PID控制模型如式(1.1)所示：
其中：KP[e(t)]为非线性比例参数，KI[e(t)]为非线性积分参数，KD[e(t)]为非线性微分参数，e(t)为系统误差，u(t)为PID控制器的输出；
得到非线性PID控制模型如式所示：
Error＝set_point^2-process_vel^2
Pid_out＝kp*error+i_out+kd*(error-error_last)
所述控制上位机包括：控制摇杆、平板电脑、显示界面APP，用户通过所述控制上位机的控制摇杆，向水下机器人发送方向控制指令，该控制指令通过水面上浮标通信装置送达到水下机器人，并经过非线性PID控制系统处理；
所述现场用户的朝向为第一方向；所述水下机器人的朝向为第二方向，并将该第二方向发送至所述的控制上位机；显示界面APP的用户界面根据该第一方向和第二方向，以第一方向为基准差动显示所述水下机器人的朝向。
2.根据权利要求1所述的水下机器人非视距控制系统，其特征在于，控制摇杆供现场用户调节，通过OTG线与平板电脑连接，并将命令发送到平板电脑的显示界面APP，显示界面APP对控制命令进行格式转换后发送到水下机器人；显示界面APP同时接受水下机器人的反馈信息显示水下机器人当前的状态。
3.根据权利要求1所述的水下机器人非视距控制系统，其特征在于，所述通信链路包括水面浮体基站、电力线载波模块、脐带缆、以太网转串口模块；所述电力线载波模块位于水面浮体基站内；所述以太网转串口模块位于水下机器人主体内；控制上位机通过WiFi与水面浮体基站实现数据交换，电力线载波模块对信号进行编码和解码以实现信号在脐带缆上的传输，以太网转串口模块实现浮体基站的以太网数据和水下机器人主控MCU串口数据之间的交换。
4.根据权利要求1所述的水下机器人非视距控制系统，其特征在于，显示界面APP的用户界面标记有第一手柄、第二手柄；第一手柄表示现场用户朝向，第二手柄表示水下机器人朝向。
5.根据权利要求1所述的水下机器人非视距控制系统，其特征在于，第一方向通过控制上位机的电子罗盘检测；第二方向通过水下机器人搭载的惯导传感器检测，第一方向和第二方向的差动关系通过电子罗盘标识。
6.根据权利要求1所述的水下机器人非视距控制系统，其特征在于，以控制摇杆行程量的积分为控制量对水下机器人偏航角进行控制，并且附带刹车系统。
7.根据权利要求6所述的水下机器人非视距控制系统，其特征在于，所述的控制遥杆以100ms为周期进行循环采样，再经过积分累加后发送到水下机器人作为方向的控制设定值。
8.一种如权利要求1-7任意一项所述的水下机器人非视距控制系统，其特征在于，所述非线性PID控制系统对水下机器人方向控制的方法是：控制上位机通过通信链路向MCU发送方向设定值Set_yaw，然后对控制差值进行非线性化处理，最后经过PID控制器计算得到控制输出发送给执行机构。
9.根据权利要求8所述的水下机器人非视距控制系统，其特征在于，控制差值为通过惯导传感器检测水下机器人的测量值与控制上位机发送的设定值之间的差值。
10.根据权利要求8或9所述的水下机器人非视距控制系统，其特征在于，非线性化处理是利用相应的非线性化函数对PID控制器中的控制输入量进行非线性转换。
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