CN107450572A - 基于滑模控制的水下机器人姿态调节控制系统及处理方法 - Google Patents

基于滑模控制的水下机器人姿态调节控制系统及处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于滑模控制的水下机器人姿态调节控制系统及处理方法，包括深度数据处理模块、导航数据处理模块、主控制器模块、CAN数据收发模块、以太网通信模块以及电源模块，所述深度数据接收解析模块和导航数据接收解析模块将解析后的深度和导航信息通过IIC总线传输到主控制器模块，主控制器同时接收上位机通过网络方式传输来的姿态控制指令，运用终端滑模算法模块，计算出各个推进器的对应转速，通过CAN总线发送到各个推进器。本发明的优点在于：采用滑模控制算法，更能够适应水下机器人高度非线性的工作特性；采用多核方式，提高了主控制器模块的运算速度以及系统响应速度；多种通信方式结合使用，使得系统更加快速可靠。

Description

基于滑模控制的水下机器人姿态调节控制系统及处理方法
技术领域
本发明属于水下机器人姿态控制技术，特别涉及一种基于滑模控制的水下机器人姿态调节控制系统及处理方法。
背景技术
无论是海洋资源开发，还是陆地水资源的利用，水下机器人作为开发水下资源的一种重要工具日益显示着它的重要性。在环境监测、数据采集、资源调查、军事侦察等多个方面发挥着重要的作用，因此，水下机器人的研究和广泛应用对于充分利用自然资源，发展国民经济具有十分重要的现实意义。
水下机器人在执行精细作业时，水下机器人的姿态控制显得尤为重要，如，定航定深前行，以某一角度通过障碍物，动力定位等，因此，安全、可靠、灵活的水下机器人姿态调节控制装置是发挥水下机器人多种作业性能的重要保证。目前，水下机器人多采用集中式的控制方式，所有数据处理和控制算法的实现集中在一块处理芯片上，使得系统的运算速度大大降低，且系统的可靠性、可扩展性较差。
中国专利(申请号为200410021161.5)公开了一种采用分布式节点网络的水下机器人控制装置，采用CAN网络作为分布式控制的核心，由计算机主机节点和CAN网络节点组成，该装置仅使用CAN网络通信，对于水下控制器与上位机间的通信部分并不适用，且该装置未提出相关控制策略。
中国专利(申请号为200310105200.5)公开了一种分布式水下机器人控制系统，采用RS-485网络作为分布式控制的核心，由计算机主机节点和RS-485网络节点组成，该装置仅使用RS-485 网络通信，对于水下控制器与上位机间的通信部分并不适用，通信速度慢、占用系统内存资源多，且该装置未提出相关控制策略。
中国专利(申请号为201510253350.3)公开了一种模块化的 ROV控制系统，采用TCP/IP作为系统内网络通信，实现各个分支单元模块化，该系统全部应用网络通信，硬件成本太高，且编程难度大，并非适用于所有模块。
中国专利(申请号为201310538196.5)公开了一种小型自治水下机器人控制系统，该系统采用多种通信方式完成对水下机器人的控制，但所有模块的数据处理工作均由主控计算机完成，各个模块自主性差，导致整个系统的实时性欠缺，水下机器人的响应速度慢，且整个系统容错性差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于滑模控制的水下机器人姿态调节控制系统及处理方法，以解决现有技术中存在的不足。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种基于滑模控制的水下机器人姿态调节控制系统，其创新点在于：包括上位机、深度数据处理模块、导航数据处理模块、主控制器模块、CAN数据收发模块、以太网通信模块、电源模块以及若干推进器控制模块；所述主控制器模块与深度数据处理模块、导航数据处理模块、CAN数据收发模块连接，还通过以太网通信模块与上位机连接，且深度数据处理模块和导航数据处理模块均通过IIC总线与主控制器模块连接；所述电源模块与深度数据处理模块、导航数据处理模块、主控制器模块、CAN 数据收发模块、以太网通信模块、以及若干推进器控制模块连接，且 CAN数据收发模块还通过CAN总线与各进器控制模块连接；
其中，所述主控制器模块包括IIC数据接收发送模块、终端滑模控制算法模块、CAN数据包处理模块和以太网数据接收发送模块；所述IIC数据接收发送模块与深度数据处理模块、导航数据处理模块和终端滑模控制算法模块连接，终端滑模控制算法模块还与以太网数据接收发送模块和CAN数据包处理模块连接，以太网数据接收发送模块与以太网通信模块连接，CAN数据包处理模块与CAN数据收发模块连接。
进一步地，所述调节控制系统，还包括其他功能扩展模块，所述其他功能扩展模块通过IIC总线与主控制器模块连接。
进一步地，所述其他功能扩展模块包括水下灯控制模块、电源管理模块和漏水检测模块。
进一步地，所述深度数据处理模块包括微处理芯片和串口数据收发芯片。
进一步地，所述导航数据处理模块包括微处理芯片和串口数据收发芯片。
进一步地，所述主控制器模块包括处理芯片。
进一步地，所述CAN数据收发模块包括CAN数据收发器芯片。
进一步地，所述以太网通信模块包括以太网收发芯片。
进一步地，所述电源模块包括稳压电源和隔离电源，在各电源的输入端和输出端分别并联多个不同容值的电容，并在与电源模块连接的各个芯片的电源输入端并联一个0.1uF电容。
一种上述的基于滑模控制的水下机器人姿态调节控制系统的处理方法，其创新点在于：所述处理方法包括数据采集、数据处理和数据发送，具体包括以下步骤：
(1)通过导航数据处理模块实时采集导航模块的数据，并实时进行删选与计算，将得到的水下机器人的实时姿态数据保存到固定空间；
(2)通过深度数据处理模块实时采集深度计模块的数据，并实时进行删选与计算，将得到的水下机器人的实时深度数据保存到固定空间；
(3)水下机器人的姿态数据和深度数据通过IIC总线传输到主控制器模块，同时，主控制器模块通过以太网通信模块将水下机器人的深度、姿态等信息上传到上位机，并接收上位机对水下机器人的姿态控制指令；
(4)主控制器模块接收到姿态控制指令后，根据水下机器人的实时姿态数据和深度数据，运用终端滑模控制算法模块，实时计算出各个推进器的对应转速，并传输到CAN数据收发模块；
(5)CAN数据收发模块将接收到的各个推进器的转速数据，通过CAN总线传输到各个对应推进器模块。
本发明的优点在于：
(1)本发明基于滑模控制的水下机器人姿态调节控制系统，采用终端滑模控制算法模块，能够很好适应水下机器人高度非线性的工作特性；同时，采用多种通信方式，更好的适应各个模块的通信特性，使得系统更加简洁、可靠、快速；此外，总线的数据传输方式大大减少通信线的使用量，大大减少了线路故障率，同时节省了大量空间；
(2)本发明基于滑模控制的水下机器人姿态调节控制系统，为了不改变已有系统的结构，IIC总线的通信方式方便更多设备的扩展；此外，在与电源模块连接的各个芯片的电源输入端并联一个0.1uF电容，可减少电源纹波对芯片的影响；
(3)本发明基于滑模控制的水下机器人姿态调节控制系统的处理方法，采用多核的处理方式，针对外部设备的数据进行单独处理，大量节约了主控制器的资源，提高了主控制器模块的运算速度以及整个系统的响应速度，同时，某一模块的损坏不影响其他模块的工作，使得系统容错性能更好。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明基于滑模控制的水下机器人姿态调节控制系统总体结构示意图。
具体实施方式
下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
本实施例基于滑模控制的水下机器人姿态调节控制系统，如图1 所示，包括上位机、深度数据处理模块1、导航数据处理模块2、主控制器模块3、CAN数据收发模块4、以太网通信模块5、电源模块6 以及若干推进器控制模块7；其中，主控制器模块3包括IIC数据接收发送模块31、终端滑模控制算法模块32、CAN数据包处理模块33 和以太网数据接收发送模块34；IIC数据接收发送模块31与深度数据处理模块1、导航数据处理模块2和终端滑模控制算法模块32连接，终端滑模控制算法模块32还与以太网数据接收发送模块34和 CAN数据包处理模块33连接，以太网数据接收发送模块34与以太网通信模块5连接，CAN数据包处理模块33与CAN数据收发模块4连接；深度数据处理模块1和导航数据处理模块2分别单独封装成一个电路板，其余模块封装成一个电路板，这样可以实现整个系统的模块化管理，便于模块的添加与维修。
实施例中，主控制器模块3与深度数据处理模块1、导航数据处理模块2、CAN数据收发模块4连接，还通过以太网通信模块5与上位机连接，且深度数据处理模块1和导航数据处理模块2均通过IIC 总线与主控制器模块3连接；电源模块6与深度数据处理模块1、导航数据处理模块2、主控制器模块3、CAN数据收发模块4、以太网通信模块5、以及若干推进器控制模块7连接，为各个模块提供电源；且CAN数据收发模块4还通过CAN总线与各进器控制模块7连接。
实施例中，在不改变已有系统的结构，通过IIC总线连接其他功能扩展模块8，其他功能扩展模块8具体的可为水下灯控制模块、电源管理模块和漏水检测模块。
作为实施例，更具体的实施方式为：
深度数据处理模块1包括微处理芯片和串口数据收发芯片，完成深度计数据的接收和深度信息的解析，并通过IIC总线传输到主控制器模块。
导航数据处理模块2包括微处理芯片和串口数据收发芯片，完成导航数据的接收和导航信息的解析，并通过IIC总线传输到主控制器模块。
主控制器模块3包括处理芯片，完成IIC总线上数据的接收和发送、控制装置与上位机的网络通信、终端滑模控制算法的实现、CAN 数据包的处理。
CAN数据收发模块4包括CAN数据收发器芯片，完成控制装置与推进器间的通信。
以太网通信模块5包括以太网收发芯片，完成水下控制系统与上位机间的通信，完成水下机器人各个信号量的上传下达。
电源模块6包括稳压电源和隔离电源，为控制装置提供所需电源，在电源的输入端和输出端分别并联多个不同容值的电容，同时，在各个芯片的电源输入端并联一个0.1uF电容，减少电源纹波对芯片的影响。
通过本发明基于滑模控制的水下机器人姿态调节控制系统，进行处理时，具体为：深度数据处理模块1和导航数据处理模块2将解析后的深度和导航信息通过IIC总线传输到主控制器模块3，主控制器模块3同时接收上位机通过以太网方式传输来的姿态控制指令，运用终端滑模控制算法32，计算出各个推进器的对应转速，经过CAN数据包处理33后，将对应推进器转速放入对应CAN数据包中，由CAN 数据收发模块4通过CAN总线发送到各个推进器；IIC总线上可扩展挂载水下灯控制模块、电源管理模块及漏水检测模块等模块；进而将纵摇角、横摇角、艏摇角、深度等水下机器人相关数据通过以太网通信模块5上传到上位机中。
实施例2
本实施例采用实施例1的控制系统进行处理时，具体包括如下步骤：
(1)通过导航数据处理模块1实时采集导航模块的数据，并实时进行删选与计算，将得到的水下机器人的实时姿态数据保存到固定空间；
(2)通过深度数据处理模块2实时采集深度计模块的数据，并实时进行删选与计算，将得到的水下机器人的实时深度数据保存到固定空间；
(3)水下机器人的姿态数据和深度数据通过IIC总线传输到主控制器模块3，同时，主控制器模块3通过以太网通信模块5将水下机器人的深度、姿态等信息上传到上位机，并接收上位机对水下机器人的姿态控制指令；
(4)主控制器模块3接收到姿态控制指令后，根据水下机器人的实时姿态数据和深度数据，运用终端滑模控制算法32，实时计算出各个推进器的对应转速，并传输到CAN数据收发模块4，具体过程如下：
以水下机器人深度控制过程为例，
水下机器人为带有不确定性的二阶非线性系统，其系统表达式可简化为
x(t)＝[x1(t(t),x2(t))]T
其中，x1(t)为水下机器人实时深度向量；x2(t)为水下机器人实时速度向量；x3(t)为水下机器人实时加速度向量；d(t)为外部扰动；u(t) 为水下机器人推进器输出；f(x(t),t)为未知函数；f(x(t),t)和d(t)分别有界，即
|d(t)|≤D(t)
其中，为f(x(t),t)的估计值，D(t)和F(x(t),t)为正函数。
本系统选用的终端滑模面为
其中，e(t)＝x1(t)-xd(t)为实时误差，此处即为深度的实时误差； xd(t)为给定信号，此处即为期望深度，β为正常数，p q为正奇数，且满足1＜p/q＜2。令
e1(t)＝x1(t)-xd(t)
则终端滑模面可表示为
本系统选用的终端滑模控制策略为
u(t)＝ueq(t)+k(x,t)sgn(s(t))
k(x(t),t)＝F(x(t),t)+D(t)+η
其中，ueq(t)为等效控制，k(x(t),t)为非线性增益。
则，滑模算法输出u(t)乘以推进器对应的比例系数K，即可得到各个推进器的控制转速，K由实际调试可得。
水下机器人的横摇角、纵摇角、艏摇角的控制过程与深度控制过程类似，不再累述。
(5)CAN数据收发模块4将接收到的各个推进器的转速数据，通过CAN总线传输到各个对应推进器模块7。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种基于滑模控制的水下机器人姿态调节控制系统，其特征在于：包括上位机、深度数据处理模块、导航数据处理模块、主控制器模块、CAN数据收发模块、以太网通信模块、电源模块以及若干推进器控制模块；所述主控制器模块与深度数据处理模块、导航数据处理模块、CAN数据收发模块连接，还通过以太网通信模块与上位机连接，且深度数据处理模块和导航数据处理模块均通过IIC总线与主控制器模块连接；所述电源模块与深度数据处理模块、导航数据处理模块、主控制器模块、CAN数据收发模块、以太网通信模块、以及若干推进器控制模块连接，且CAN数据收发模块还通过CAN总线与各进器控制模块连接；
其中，所述主控制器模块包括IIC数据接收发送模块、终端滑模控制算法模块、CAN数据包处理模块和以太网数据接收发送模块；所述IIC数据接收发送模块与深度数据处理模块、导航数据处理模块和终端滑模控制算法模块连接，终端滑模控制算法模块还与以太网数据接收发送模块和CAN数据包处理模块连接，以太网数据接收发送模块与以太网通信模块连接，CAN数据包处理模块与CAN数据收发模块连接。
2.根据权利要求1所述的基于滑模控制的水下机器人姿态调节控制系统，其特征在于：所述调节控制系统，还包括其他功能扩展模块，所述其他功能扩展模块通过IIC总线与主控制器模块连接。
3.根据权利要求2所述的基于滑模控制的水下机器人姿态调节控制系统，其特征在于：所述其他功能扩展模块包括水下灯控制模块、电源管理模块和漏水检测模块。
4.根据权利要求1所述的基于滑模控制的水下机器人姿态调节控制系统，其特征在于：所述深度数据处理模块包括微处理芯片和串口数据收发芯片。
5.根据权利要求1所述的基于滑模控制的水下机器人姿态调节控制系统，其特征在于：所述导航数据处理模块包括微处理芯片和串口数据收发芯片。
6.根据权利要求1所述的基于滑模控制的水下机器人姿态调节控制系统，其特征在于：所述主控制器模块包括处理芯片。
7.根据权利要求1所述的基于滑模控制的水下机器人姿态调节控制系统，其特征在于：所述CAN数据收发模块包括CAN数据收发器芯片。
8.根据权利要求1所述的基于滑模控制的水下机器人姿态调节控制系统，其特征在于：所述以太网通信模块包括以太网收发芯片。
9.根据权利要求1所述的基于滑模控制的水下机器人姿态调节控制系统，其特征在于：所述电源模块包括稳压电源和隔离电源，在各电源的输入端和输出端分别并联多个不同容值的电容，并在与电源模块连接的各个芯片的电源输入端并联一个0.1uF电容。
10.一种权利要求1所述的基于滑模控制的水下机器人姿态调节控制系统的处理方法，其特征在于：所述处理方法包括数据采集、数据处理和数据发送，具体包括以下步骤：
（1）通过导航数据处理模块实时采集导航模块的数据，并实时进行删选与计算，将得到的水下机器人的实时姿态数据保存到固定空间；
（2）通过深度数据处理模块实时采集深度计模块的数据，并实时进行删选与计算，将得到的水下机器人的实时深度数据保存到固定空间；
（3）水下机器人的姿态数据和深度数据通过IIC总线传输到主控制器模块，同时，主控制器模块通过以太网通信模块将水下机器人的深度、姿态等信息上传到上位机，并接收上位机对水下机器人的姿态控制指令；
（4）主控制器模块接收到姿态控制指令后，根据水下机器人的实时姿态数据和深度数据，运用终端滑模控制算法模块，实时计算出各个推进器的对应转速，并传输到CAN数据收发模块；
（5）CAN数据收发模块将接收到的各个推进器的转速数据，通过CAN 总线传输到各个对应推进器模块。
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